氢元素:新能源技术革命的希望?( 二 )


从能源角度, 核聚变才是氢最重要的舞台 。 所谓核聚变, 指的是两个较轻的核结合为较重的核, 这个过程可能产生其他粒子和大量的能量, 也称为轻核聚变 。 地球上的能量大部分来自太阳, 而太阳的能量主要来自氢的核聚变 。 如果在比太阳温度高一倍的恒星中, 参与核聚变的元素更可能是碳和氮 。 地球上的核聚变其实也已经实现了, 它就是氢弹(与轻核聚变对应的名词是重核裂变, 它对应的军事应用是原子弹) 。 携带1个中子的氢同位素称为氘, 它在自然界中也稳定存在 。 氘可以参与聚变, 两个氘聚变可以产生一个氦3(3He, 氦的一种稳定同位素)和一个中子;也可以产生一个氚(氢的另一种同位素, 携带两个中子, 不稳定, 半衰期12.4年)和一个质子 。 氢弹的“燃料”并不直接是氘, 而是氘化锂 。 氘化锂是固体, 比气体的氘运输和存储更方便, 当氢弹的“引信”原子弹爆炸时会产生大量中子, 中子、氘、氚和锂之间有多种聚变方式, 可以产生大量能量 。 氢弹的外壳还可以采用铀, 让聚变产生的中子进一步产生重核裂变 。

氢元素:新能源技术革命的希望?

文章插图

和平利用可控裂变的核电站已经出现很久了, 而可控核聚变的技术却一直未能实现 。 在较容易出现的聚变反应中, 主要的参与者有氘、氚、3He, 6Li和中子 。 其中的氚和中子难以存储, 3He难以获得;相比而言, 氘很容易得到, 大约每8,000个氢原子中有一个氘原子 。 氢原子大量存在于海水中, 因此, 通过氘的可控核聚变提供能源几乎不存在原料供应问题, 以现在人类消耗能源的速度几乎可以算是取之不尽的 。 相比起来, 人类现有的各种能源来源均有不足之处:煤和石油等化学燃料总量有限, 基于核裂变的核能也受限于原料总量, 而水电、风电和太阳能等可再生能源在单位时间内能提供的能量有限 。 如果能源不是问题, 人类社会的很多生活习惯将可以轻松地被改变 。 例如, 耗能大的个人飞行器将能普及, 城市内交通不再局限于路面, 而是可以实现多层次的立体交通;可以调节整个城市的温度, 减少严寒和酷热天气 。 如果能源不是问题, 从技术层面, 一个全新的能源技术革命马上就会到来;从物理层面, 人类也将能开展更高能量尺度的实验, 探索更深层次的粒子物理 。

从氢弹到利用核聚变获得民用能源, 中间的瓶颈就在“可控”二字 。 一个显而易见的难度就在于聚变发生时的温度, 如果你还意识到太阳的能量来自聚变的话 。 氘氘聚变的临界温度在1亿开尔文的数量级, 在这个温度下, 不再有固体、液体、气体, 物质都以等离子体形式存在, 此时的电子与正离子并存 。 换句话说, 任何常规意义上的容器都无法容纳这个温度下的核聚变反应 。 另外, 等离子体还需要有足够高的密度, 否则如果核聚变产生的能量小于维持等离子体存在的能量, 聚变将无法输出能量 。 太阳之所以可以发生核聚变, 是因为它巨大质量所产生的引力约束了等离子体, 这样的约束称为惯性约束 。 可控核聚变的方案中, 有的方案用激光惯性约束:利用激光提供能量让小尺度(比如10微米量级)的聚变材料局域在小空间内加压加温 。 也有的方案用强磁场约束等离子体:带电离子在磁场下可以做闭合回路运动, 从而实现空间局域, 这套方案有时也称为托卡马克 。 人们还在寻找各种不需要高温的聚变方式, 这些方案称为冷核聚变 。 不管哪一套方案, 实现它们所需要的技术难度都异常巨大 。 虽然人们期盼可控核聚变多年, 虽然许多国家持续斥巨资开展相关研究, 目前世界上还没有可民用的核聚变技术 。

推荐阅读