淺談核聚變能源_未來(lái)的清潔能源

1、中國(guó)西部科技 2012年 03月第 11卷第 03期總第 272期 55淺談核聚變能源 未來(lái)的清潔能源房俊文(德陽(yáng)市第六中學(xué),四川 德陽(yáng) 618000摘 要:隨著全球化石能源的不斷消耗以及全球氣候變化帶來(lái)的系列問(wèn)題日益受到國(guó)際社會(huì)的普遍關(guān)注, 清潔能源的研發(fā)正 在成為人類未來(lái)發(fā)展的焦點(diǎn)。 基于核聚變能源的環(huán)境友好特性及其相關(guān)資源的可獲得性, 它有望成為未來(lái)清潔能源發(fā)展的關(guān) 鍵選擇。本文概述了核聚變能源的發(fā)展現(xiàn)狀,展望了未來(lái)的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞:核聚變;能源;清潔能源1 前言以人類目前能源的消耗速度,據(jù)預(yù)測(cè) 3050年后將發(fā) 生全球性能源短缺。氘與氚的核聚變能源不僅燃料充足, 而 且不會(huì)產(chǎn)生二氧化

2、碳溫室氣體及高放射性核廢料, 是環(huán)境友 好型的永續(xù)能源,極有可能成為解決能源短缺的最終方案。 在核聚變反應(yīng)中, 2萬(wàn)電子伏特能量的氘與氚可以核聚變產(chǎn) 生 14.1百萬(wàn)電子伏特能量的中子與 3.5 百萬(wàn)電子伏特能量 的阿爾發(fā)粒子,其能量增益為 450 倍。 1g 的氘氚核聚變反 應(yīng)所釋放的能量相當(dāng)于約 9000L 的汽油。 目前, 核聚變反應(yīng) 在技術(shù)上的挑戰(zhàn)主要為:(1 核聚變產(chǎn)生的功率必須大于使 氘氚燃料維持在高溫所需的輸入能量功率; (2 反應(yīng)器的機(jī) 械結(jié)構(gòu)必須抵擋得住電漿的轟擊與 14.1百萬(wàn)電子伏特能量 中子的輻射損害。 目前使用強(qiáng)大磁場(chǎng)來(lái)控制氘氚核聚變反應(yīng) 的托克馬克反應(yīng)器已能達(dá)到輸出

3、能量等于輸入能量。 但是要 建造能夠大量發(fā)電的磁控核聚變發(fā)電廠仍有許多科學(xué)與工 程技術(shù)的問(wèn)題亟待解決。2 世界能源供給與需求發(fā)展中與不發(fā)達(dá)國(guó)家的人口成長(zhǎng)與個(gè)人經(jīng)濟(jì)能力的提 升是未來(lái) 50年能源需求巨大成長(zhǎng)的主要原因。根據(jù)美國(guó)人 口調(diào)查局的數(shù)據(jù), 2008年世界人口約為 67億。該局最近的 預(yù)測(cè)顯示,盡管人口成長(zhǎng)趨緩,但 21世紀(jì)人口成長(zhǎng)將持續(xù) 下去,世界人口總數(shù)預(yù)計(jì)在 2050年將達(dá)到 100億 1。發(fā)展 中與不發(fā)達(dá)國(guó)家的人口成長(zhǎng)預(yù)測(cè)將從目前的 40億增加到 2050年的 80億以上,并且構(gòu)成約全世界百分之九十的人口 數(shù) 2。目前發(fā)展中與不發(fā)達(dá)國(guó)家的每人平均能源消耗量?jī)H為 西歐或者日本的六分之

4、一。如果考慮到 2050年時(shí),發(fā)展中 與不發(fā)達(dá)國(guó)家每人平均的能源消耗增加一倍的話, 加上人口 的成長(zhǎng),未來(lái) 50年世界能源需求之成長(zhǎng)將增加兩、三倍。 若再考慮發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)成長(zhǎng)因素, 確切的能源需求預(yù)期還 會(huì)大得多。技術(shù)上能源使用效率無(wú)疑會(huì)繼續(xù)提升,但與前述 世界能源需求的成長(zhǎng)因素相比起來(lái)仍然微不足道。2004年超過(guò) 80%的世界能源使用來(lái)自化石能源。根據(jù) 人類的能源使用速率, 化石能源即將耗盡, 全球石油的儲(chǔ)量 只能再維持大約三十年, 天然氣的儲(chǔ)量只能再維持大約六十 年,煤的儲(chǔ)量約可維持兩百二十年。幾十 來(lái),人類為解決 能源危機(jī),投入了大量的人力與財(cái)力以尋求新的替代能源, 特別是對(duì)再生能源(

5、風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能、水 發(fā)電、地?zé)岚l(fā) 電、海浪發(fā)電、潮汐發(fā)電及生質(zhì)能源等的研發(fā)。其中水 能源的使用在發(fā)達(dá)國(guó)家已達(dá)極限。地?zé)岚l(fā)電、海浪發(fā)電、潮 汐發(fā)電等僅在有限的范圍很小的區(qū)域有一定發(fā)展?jié)?。 生質(zhì)能源則需要大量的土地。 太陽(yáng)能與風(fēng) 被視作最清 潔安全的能量來(lái)源。 但只有地面的風(fēng) 發(fā)電可以在極特殊條 件下達(dá)到經(jīng)濟(jì)規(guī)模。如果太陽(yáng)能的發(fā)電成本可以降低,則在 陽(yáng)光充足的區(qū)域便有發(fā)展?jié)?。但如同生質(zhì)能源一樣,發(fā)展 太陽(yáng)能也需要大片的土地。 因此直到現(xiàn)在, 太陽(yáng)能與風(fēng)能的 發(fā)電功 離實(shí)際需要仍有相當(dāng)大的距離。 沒(méi)有價(jià)廉且大量電 的儲(chǔ)存技術(shù),電 供給 穩(wěn)定的再生能源將受到限制而無(wú) 法滿足世界的能源所需。因此,

6、 受天候影響而且具有穩(wěn)定 能源供給能 者將成為主要的能源供給來(lái)源。因而,為解決緊迫的能源問(wèn)題,核能的使用成為最終的 可能選擇方案, 目前已有 少核能發(fā)電廠提供生活所需的電 ,但由于它們采用核分裂的機(jī)制,在反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán) 重污染環(huán)境的核廢 ,也因此引起許多的環(huán)保問(wèn)題。而且核 分裂的鈾 -235 燃 的儲(chǔ)量只能再維持大約一百 。 因此盡快 開(kāi)發(fā)友善環(huán)境的核聚變能源是非常急迫的。3 核聚變能源核聚變反應(yīng)是恒星發(fā)光發(fā)熱的能量來(lái)源。 其能量產(chǎn)生的 方式,是經(jīng)由重 將氫原子壓縮加熱成為高密 高溫 的電 漿狀態(tài),并進(jìn) 核聚變反應(yīng)以釋放能量。在核聚變反應(yīng)過(guò)程 中,一部分氫核子質(zhì)量轉(zhuǎn)換為能量。但是, 用氫核

7、子的同 位素氘與氚的核聚變才是最容 實(shí)現(xiàn)的核聚變反應(yīng)。目前, 如何控制高溫狀態(tài)下, 氘和氚的混合氣體形成的電漿的溫度 以實(shí)現(xiàn)最佳的核聚變反應(yīng)速率,是相當(dāng)關(guān)鍵的技術(shù)。 核聚變的氘和氚燃 很容 取得,氘可以從海水提煉, 在水中每 7000個(gè)氫元素就有一個(gè)氘同位素,而氘的提煉成 本低廉。每一公升的海水中含有 30mg 的氘,而 30mg 的氘 經(jīng)核聚變產(chǎn)生的能量相當(dāng)于 300L 汽油。雖然由于氚具有 13 的半衰期,它 存在于自然界中,但可以從鋰元素中提煉。 每一個(gè)氘氚核聚變產(chǎn)生的中子可以在反應(yīng)器中碰撞鋰能源環(huán)保 56滋生圍包層,產(chǎn)生一個(gè)氚原子。只需要 1t 的氘和 10t 的鋰, 核聚變發(fā)電廠就能

8、每年以十億瓦特的功 發(fā)電, 等同于火力 發(fā)電廠燃燒掉 200萬(wàn) t 的煤炭或 130萬(wàn) t 的石油,或者等同 于核能發(fā)電廠消耗掉 30t 的二氧化鈾燃 所生產(chǎn)的電 3。 氘氚來(lái)源充足,據(jù)估計(jì)全球海水中有 45萬(wàn)億 t 氘,可以提 供世界 100億 的能源,幾乎是取之 盡、用之 竭。 核聚變發(fā)電廠的基本設(shè)計(jì)與核分裂核能發(fā)電廠類似, 只 是反應(yīng)器 同。 核聚變發(fā)電廠已被公認(rèn)是所有基載發(fā)電系統(tǒng) 中最 影響環(huán)境且最安全的替代方案 2。核聚變?nèi)?的生產(chǎn) 并 使用放射性物質(zhì),而且 直接產(chǎn)生放射性廢 。但是反 應(yīng)器結(jié)構(gòu)材 因吸收中子會(huì)產(chǎn)生半衰期很短的低放射性。 通 過(guò)精心的設(shè)計(jì)及材 選擇可以減少放射性而確實(shí)

9、達(dá)到低危 害性 45。核聚變發(fā)電廠安全研究表明:(1核聚變 會(huì)產(chǎn) 生任何放射性廢 ,沒(méi)有廢 難解的技術(shù)與政治問(wèn)題; (2 只要減少電漿密 或氘氚供給,核聚變反應(yīng)可以隨時(shí)終止, 其控制性比現(xiàn) 核分裂反應(yīng)器要容 ; (3即使發(fā)生最糟糕 的核聚變?yōu)淖円?至于對(duì)電廠周圍的居民產(chǎn)生重大危害; (4核聚變發(fā)電廠運(yùn)轉(zhuǎn)所造成的低放射性結(jié)構(gòu)材 并 需 長(zhǎng)時(shí)間封存,因此將 會(huì)對(duì)下一代構(gòu)成負(fù)擔(dān)。和目前所知的所有能源相比, 核聚變產(chǎn)生的能源是最理 想的, 僅燃料充足, 又 產(chǎn)生溫室氣體及高放射性核廢料, 對(duì)氣候與環(huán)境幾乎沒(méi)有沖擊,將可大幅地 低環(huán)境污染問(wèn) 題。 核聚變能源將會(huì)是取代化石能源, 供給人類潔凈能源的 最好

10、選項(xiàng)。如果采用核聚變機(jī)制的核能發(fā)電能成功, 將為人 類提供取之 盡的潔凈能源,可以滿足人類的能源需求,可 以說(shuō)是最終解決 人類對(duì)永續(xù)潔凈能源需求的問(wèn)題。4 展望燃燒化石燃 所造成的全球氣候與氣候變化的社會(huì)與 經(jīng)濟(jì)成本相當(dāng)高, 加之再生能源因受天候影響與地理環(huán)境的 限制,且在沒(méi)有價(jià)廉且大量電 的儲(chǔ)存技術(shù)之下,將 大可 能供給穩(wěn)定的電 ,從而無(wú)法滿足世界的能源所需。因此, 環(huán)境友好且 受天氣氣候影響并具有穩(wěn)定能源供給能 者 將成為主要的能源供給 源。和目前所知的所有能源相比, 氘與氚核聚變產(chǎn)生的能源最理想, 它的發(fā)展將是長(zhǎng)期性世界 經(jīng)濟(jì)成長(zhǎng)與避免環(huán)境惡化的關(guān)鍵。 因此核聚變能源是最友善 環(huán)境的永續(xù)

11、能源,極有可能成為人類能源的最終解決方案。 美國(guó)國(guó)家工程學(xué)會(huì)早在 2008 就發(fā)表聲明,核聚變能 源研發(fā)將是 21世紀(jì) 14項(xiàng)科技發(fā)展的重大挑戰(zhàn)之一。歐洲、 日本、美國(guó)、俄羅斯、中國(guó)、印度與韓國(guó)等涵蓋 超過(guò)世界 四分之三以上人口的國(guó)家于 2005 決定合作建造下一代輸 出能量為輸入能量 5 倍以上,電漿電 脈沖長(zhǎng)度為 500s , 且輸出功 為 5億瓦的“國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER ”。 ITER 反應(yīng)器坐 在法國(guó), 計(jì)劃 2020 以前完成興建, 并且 開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)。 ITER 將克服的科技挑戰(zhàn)包含燃燒電漿的控制與 其物 機(jī)理的解讀、安全與有效氚燃料的萃取以及有關(guān)材 的科學(xué)問(wèn)題。 ITER 將

12、成為世界第一個(gè)產(chǎn)出能量遠(yuǎn)大于輸入 能量的核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)爐, 為建造大量生產(chǎn)核聚變能源的反 應(yīng)爐作準(zhǔn)備,在 2050 以前,人類有可能開(kāi)始使用核聚變 能源。參考文獻(xiàn):2 U.Colombo,et al.,"Report of the Fusion Programme Evaluation Board". CEC,July 1990.4 "This Common Inheritance: A Summary of the White Paper on the Environment". U.K,Dept. of the Environment,HMSO,19

13、90.(上接第 64頁(yè)表 2 不同生長(zhǎng)素對(duì)根的形態(tài)及根長(zhǎng)的影響生長(zhǎng)素種類 平均每株生根數(shù)(個(gè)平均根長(zhǎng)(cm生根特征 根細(xì)長(zhǎng),有側(cè)根 (3條 /主根 根細(xì)長(zhǎng)、較弱,無(wú)側(cè)根 根短而粗,呈放射狀, 無(wú)側(cè)根根較粗壯,有側(cè)根 (4條 /主根NAA 誘導(dǎo)生根, 在植株基部形成愈傷組織, 繼而產(chǎn)生呈 放射狀排列的短粗型根。從愈傷組織產(chǎn)生的不定根, 往往與 莖之間無(wú)維管束組織的直接聯(lián)系。這樣的不定根在移苗時(shí), 根易脫落,成活率極低 3。而分別由 NAA 和 IAA 誘導(dǎo)生根, 植株基部不形成愈傷組織, 根直接由植株基部生出, 所誘導(dǎo) 的根為細(xì)長(zhǎng)型,并具有側(cè)根,在移苗時(shí),根不易脫落,成活 率高。綜合 NAA 和 IBA 對(duì)生根的作用,我們將它們組合,選 取二者最適宜的濃度共同誘導(dǎo)生根, 結(jié)果平均每株生根數(shù)為 6.9個(gè),根長(zhǎng)為 1.7,根較粗壯,有側(cè)根,較少產(chǎn)生愈傷組織。 3 結(jié)論(1在初代培養(yǎng)階段,以改良 WPM 作為基本培養(yǎng)基, 以 6-BA1mg/l+NAA0.05mg/l組合最適合東北迎春花外植體 誘導(dǎo)分化。(2在繼代與增殖培養(yǎng)階段,以改良 WPM 作為基本培 養(yǎng)基,以 6-BA3mg/l+NAA0.05mg/l組合效果最為理想。 (3在生根培養(yǎng)階段,以 NAA0.01mg/l+IBA0.05mg/l組合生根效果最好。(4利用細(xì)胞分裂素可以促進(jìn)腋芽