淺談核聚變能源_未來的清潔能源

1、中國西部科技 2012年 03月第 11卷第 03期總第 272期 55淺談核聚變能源 未來的清潔能源房俊文(德陽市第六中學(xué),四川 德陽 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的系列問題日益受到國際社會的普遍關(guān)注, 清潔能源的研發(fā)正 在成為人類未來發(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 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, 2萬電子伏特能量的氘與氚可以核聚變產(chǎn) 生 14.1百萬電子伏特能量的中子與 3.5 百萬電子伏特能量 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 14.1百萬電子伏特能量 中子的輻射損害。 目前使用強(qiáng)大磁場來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)國家的人口成長與個(gè)人經(jīng)濟(jì)能力的提 升是未來 50年能源需求巨大成長的主要原因。根據(jù)美國人 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)測顯示,盡管人口成長趨緩,但 21世紀(jì)人口成長將持續(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)國家的人口成長預(yù)測將從目前的 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)國家的每人平均能源消耗量僅為 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)國家每人平均的能源消耗增加一倍的話, 加上人口 的成長,未來 50年世界能源需求之成長將增加兩、三倍。 若再考慮發(fā)達(dá)國家的經(jīng)濟(jì)成長因素, 確切的能源需求預(yù)期還 會大得多。技術(shù)上能源使用效率無疑會繼續(xù)提升,但與前述 世界能源需求的成長因素相比起來仍然微不足道。2004年超過 80%的世界能源使用來自化石能源。根據(jù) 人類的能源使用速率, 化石能源即將耗盡, 全球石油的儲量 只能再維持大約三十年, 天然氣的儲量只能再維持大約六十 年,煤的儲量約可維持兩百二十年。幾十 來,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, 特別是對再生能源(

5、風(fēng)力發(fā)電、太陽能、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。 太陽能與風(fēng) 被視作最清 潔安全的能量來源。 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。如果太陽能的發(fā)電成本可以降低,則在 陽光充足的區(qū)域便有發(fā)展?jié)?。但如同生質(zhì)能源一樣,發(fā)展 太陽能也需要大片的土地。 因此直到現(xiàn)在, 太陽能與風(fēng)能的 發(fā)電功 離實(shí)際需要仍有相當(dāng)大的距離。 沒有價(jià)廉且大量電 的儲存技術(shù),電 供給 穩(wěn)定的再生能源將受到限制而無 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源。因而,為解決緊迫的能源問題,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)過程中會產(chǎn)生嚴(yán) 重污染環(huán)境的核廢 ,也因此引起許多的環(huán)保問題。而且核 分裂的鈾 -235 燃 的儲量只能再維持大約一百 。 因此盡快 開發(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 t 的煤炭或 130萬 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。 氘氚來源充足,據(jù)估計(jì)全球海水中有 45萬億 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 因吸收中子會產(chǎn)生半衰期很短的低放射性。 通 過精心的設(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 會產(chǎn) 生任何放射性廢 ,沒有廢 難解的技術(shù)與政治問題; (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 長時(shí)間封存,因此將 會對下一代構(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, 對氣候與環(huán)境幾乎沒有沖擊,將可大幅地 低環(huán)境污染問 題。 核聚變能源將會是取代化石能源, 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 以說是最終解決 人類對永續(xù)潔凈能源需求的問題。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,且在沒有價(jià)廉且大量電 的儲存技術(shù)之下,將 大可 能供給穩(wěn)定的電 ,從而無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)展將是長期性世界 經(jīng)濟(jì)成長與避免環(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。 美國國家工程學(xué)會早在 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、俄羅斯、中國、印度與韓國等涵蓋 超過世界 四分之三以上人口的國家于 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 脈沖長度為 500s , 且輸出功 為 5億瓦的“國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER ”。 ITER 反應(yīng)器坐 在法國, 計(jì)劃 2020 以前完成興建, 并且 開始運(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頁表 2 不同生長素對根的形態(tài)及根長的影響生長素種類 平均每株生根數(shù)(個(gè)平均根長(cm生根特征 根細(xì)長,有側(cè)根 (3條 /主根 根細(xì)長、較弱,無側(cè)根 根短而粗,呈放射狀, 無側(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