• 汇集公众科学智慧交流科学思想见解
  • 点燃科学智慧火花构建互动交流平台
科学智慧火花
科普书评

《逐日之路》

图书名称:《逐日之路》

作者:马明义

出版社:科学出版社

ISBN:ISBN 978-7-03-062888-6

作者简介:作者马明义是中国科学技术大学退休高级工程师,1966年毕业于南京大学物理系,1970年在二机部585所从事受控核聚变相关研究,1981年获中国科学技术大学近代技术物理系等离子体专业硕士学位,曾任该校等离子物理实验室主任。荣获全国科学大会奖、中国科学院科技成果奖和多项发明专利等。

内容简介:本书介绍了70余年来世界主要国家对氘氚核聚变能产生、利用研究的进展、现状和展望,认为30年后人类可能开始利用这种人造太阳产生的核聚变能。

书评人 张建成 中科院理化技术研究所退休研究员  

漫漫逐日路已见曙光

《逐日之路》一书是中国科学院“中国梦.科学梦”系列科普丛书中的一册,于2020年3月出版。早在远古时代中国就有夸父追日的神话传说,说的是夸父想追到太阳,取下太阳,从而让太阳更好地为人类服务。

太阳被称为地球上万物的生命之源,这是因为所有生命从诞生到发展,都离不开能源的滋补和养育。太阳是地球最早的能源,也曾是地球生命的唯一能源。如今太阳提供给人类的化石能源正在日益枯竭,不可能供给人类长期使用。现代科学开发的核能源,是利用铀-235原子裂变产生的能量,是现代人类使用的唯一不依赖太阳而产生的能源。但是,已知地球上铀-235的存在量最多只够人类再使用千年,因此,人类还必须寻找新的能源。

自地球诞生以来,太阳已为地球上的各种生命物无偿地提供了几十亿年的能源。那么在科学技术如此发展的现代,人类是否可以制造一些人造太阳让它为我们提供能源呢?

现代科学告诉我们,所有物质都含有能量。按能量释放时,物质的结构状态变化区分,能量有三种存在形式。在能量转移过程中,物质的分子和原子的结构没有发生变化,这表现为机械能和电磁能;在能量转移过程中物质的分子组成发生了变化,这是化学能;第三类是核能,它是物质的原子结构发生了变化。

核能有两种,一种是大的原子核,分裂为小的原子核,这时产生的能量被称为分裂能,如现在已广泛使用的以铀-235原子分裂产生能量的原子能发电站。另一种就是两个原子序数较小的原子核聚合成一个大序数的原子核时,也会释放出巨大的能量。例如,氢弹和太阳内部不断发生的核聚变反应。核聚变反应的发生要求具备高温、高压和高密度等条件。太阳内部的高温、高压和高的氢密度,可以保障两个氢原子发生碰撞,从而发生核聚变反应,释放出巨大的能量。

核聚变燃料的能量密度比核裂变燃料的能量密度更高,从而使聚变核能发电所需要的燃料大量减少。此外,核聚变发电不排放污染物质,也不释放二氧化碳等产生温室效应的任何气体,更不产生任何放射性废物,对地球环境没有任何污染。操作和设备故障,只能导致聚变反应终止,绝不会引起爆炸和任何灾难事故。因此,核聚变发电是真正的安全与无污染的新能源。 

科学家早就发现了地球上存在丰富的核聚变反应材料。每升海水中含有30mg氘,它发生核聚变产生的能量,相当于300L汽油燃烧的热能。海水中的氘,足够人类使用几十亿年!

但是,科学家多年的研究也告诉我们,核聚变反应的发生可不是一件轻而易举的事情,它的发生有着难以实现的苛刻条件。太阳之所以能发生核聚变反应,是因为太阳内核的温度约为1.5x107k;压力约为2.5x1011个大气压;氢核密度高达150g/cm3,远高于地球上任何物体的密度。这时氢核的平均运动速度可达18km/s以上。只有这些条件同时具备,才能保障两个氢核克服巨大的库伦斥力,融合到一起发生释放巨大能量的核聚变反应。

氢弹是人类实现的核聚变反应。这种聚变反应产生的能量是以反应产生的原子核和中子的动能以及电磁辐射的形式出现的,人类无法直接利用这样的能量。于是科学家就设想,通过控制核聚变反应,将其释放的能量转化为热能,然后仿照发电站技术,再将热能转化为电能。但是,在地球上无法实现持续的核聚变反应,迄今人为核聚变反应的持续时间还不到1000秒。此外,能够耐受高能中子冲击的实体材料也不可能找到。如何将轻核加热到108k的反应温度,并制造出能够存储如此高温的等离子体的“容器”就成了核聚变反应发生的巨大难题。实际上不可能有耐受如此高温的实物容器,科学家的想法是将它约束到一个固定的空间内。

苏联科学家阿齐莫维奇等人发明的托卡马克装置被各国认为是一个可行的方案。简单地说,该装置就是一个环形真空磁线圈。

实际上,人造核聚变反应堆的发电时间很难超过20分钟,它只能是间断式的发光发热,每次只能是十几分钟。

由此可见,要实现人为控制的核聚变反应在技术上是有很大难度的,必须投入的经费也是巨大的。这就是从20世纪50年代开始,很多国家都在为此而努力,经历了70年的漫漫长路,至今尚未成功的原因。

鉴于这种情况,1985年苏联、美国、欧盟和日本四方联合起来、共同投资,合作研究建设“人造太阳”。2006年又扩大为中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国等7方的合作。这7方决定共同投资在法国建设世界上第一座核聚变实验堆。经过7方分工与合作,在本书出版4个月之后,合作取得巨大进展的喜讯传来。零部件超过一百万件、总重达数百吨的聚变实验堆部件已经由7方分别完成,已于7月28日在法国普罗旺斯开始组装,预计2035年可以开始向世界供应完全无污染的核聚变新能源。

《逐日之路》的曙光已经出现,人造太阳正在开始冉冉升起。谁能对这一造福人类子孙万代的最大的国际科学技术合作工程没有兴趣呢?