浅谈核聚变能源_未来的清洁能源

1、中国西部科技 2012年 03月第 11卷第 03期总第 272期 55浅谈核聚变能源 未来的清洁能源房俊文(德阳市第六中学,四川 德阳 618000摘 要:随着全球化石能源的不断消耗以及全球气候变化带来的系列问题日益受到国际社会的普遍关注, 清洁能源的研发正 在成为人类未来发展的焦点。 基于核聚变能源的环境友好特性及其相关资源的可获得性, 它有望成为未来清洁能源发展的关 键选择。本文概述了核聚变能源的发展现状,展望了未来的发展前景。关键词:核聚变;能源;清洁能源1 前言以人类目前能源的消耗速度,据预测 3050年后将发 生全球性能源短缺。氘与氚的核聚变能源不仅燃料充足, 而 且不会产生二氧化

2、碳温室气体及高放射性核废料, 是环境友 好型的永续能源,极有可能成为解决能源短缺的最终方案。 在核聚变反应中, 2万电子伏特能量的氘与氚可以核聚变产 生 14.1百万电子伏特能量的中子与 3.5 百万电子伏特能量 的阿尔发粒子,其能量增益为 450 倍。 1g 的氘氚核聚变反 应所释放的能量相当于约 9000L 的汽油。 目前, 核聚变反应 在技术上的挑战主要为:(1 核聚变产生的功率必须大于使 氘氚燃料维持在高温所需的输入能量功率; (2 反应器的机 械结构必须抵挡得住电浆的轰击与 14.1百万电子伏特能量 中子的辐射损害。 目前使用强大磁场来控制氘氚核聚变反应 的托克马克反应器已能达到输出

3、能量等于输入能量。 但是要 建造能够大量发电的磁控核聚变发电厂仍有许多科学与工 程技术的问题亟待解决。2 世界能源供给与需求发展中与不发达国家的人口成长与个人经济能力的提 升是未来 50年能源需求巨大成长的主要原因。根据美国人 口调查局的数据, 2008年世界人口约为 67亿。该局最近的 预测显示,尽管人口成长趋缓,但 21世纪人口成长将持续 下去,世界人口总数预计在 2050年将达到 100亿 1。发展 中与不发达国家的人口成长预测将从目前的 40亿增加到 2050年的 80亿以上,并且构成约全世界百分之九十的人口 数 2。目前发展中与不发达国家的每人平均能源消耗量仅为 西欧或者日本的六分之

4、一。如果考虑到 2050年时,发展中 与不发达国家每人平均的能源消耗增加一倍的话, 加上人口 的成长,未来 50年世界能源需求之成长将增加两、三倍。 若再考虑发达国家的经济成长因素, 确切的能源需求预期还 会大得多。技术上能源使用效率无疑会继续提升,但与前述 世界能源需求的成长因素相比起来仍然微不足道。2004年超过 80%的世界能源使用来自化石能源。根据 人类的能源使用速率, 化石能源即将耗尽, 全球石油的储量 只能再维持大约三十年, 天然气的储量只能再维持大约六十 年,煤的储量约可维持两百二十年。几十 来,人类为解决 能源危机,投入了大量的人力与财力以寻求新的替代能源, 特别是对再生能源(

5、风力发电、太阳能、水 发电、地热发 电、海浪发电、潮汐发电及生质能源等的研发。其中水 能源的使用在发达国家已达极限。地热发电、海浪发电、潮 汐发电等仅在有限的范围很小的区域有一定发展潜 。 生质能源则需要大量的土地。 太阳能与风 被视作最清 洁安全的能量来源。 但只有地面的风 发电可以在极特殊条 件下达到经济规模。如果太阳能的发电成本可以降低,则在 阳光充足的区域便有发展潜 。但如同生质能源一样,发展 太阳能也需要大片的土地。 因此直到现在, 太阳能与风能的 发电功 离实际需要仍有相当大的距离。 没有价廉且大量电 的储存技术,电 供给 稳定的再生能源将受到限制而无 法满足世界的能源所需。因此,

6、 受天候影响而且具有稳定 能源供给能 者将成为主要的能源供给来源。因而,为解决紧迫的能源问题,核能的使用成为最终的 可能选择方案, 目前已有 少核能发电厂提供生活所需的电 ,但由于它们采用核分裂的机制,在反应过程中会产生严 重污染环境的核废 ,也因此引起许多的环保问题。而且核 分裂的铀 -235 燃 的储量只能再维持大约一百 。 因此尽快 开发友善环境的核聚变能源是非常急迫的。3 核聚变能源核聚变反应是恒星发光发热的能量来源。 其能量产生的 方式,是经由重 将氢原子压缩加热成为高密 高温 的电 浆状态,并进 核聚变反应以释放能量。在核聚变反应过程 中,一部分氢核子质量转换为能量。但是, 用氢核

7、子的同 位素氘与氚的核聚变才是最容 实现的核聚变反应。目前, 如何控制高温状态下, 氘和氚的混合气体形成的电浆的温度 以实现最佳的核聚变反应速率,是相当关键的技术。 核聚变的氘和氚燃 很容 取得,氘可以从海水提炼, 在水中每 7000个氢元素就有一个氘同位素,而氘的提炼成 本低廉。每一公升的海水中含有 30mg 的氘,而 30mg 的氘 经核聚变产生的能量相当于 300L 汽油。虽然由于氚具有 13 的半衰期,它 存在于自然界中,但可以从锂元素中提炼。 每一个氘氚核聚变产生的中子可以在反应器中碰撞锂能源环保 56滋生围包层,产生一个氚原子。只需要 1t 的氘和 10t 的锂, 核聚变发电厂就能

8、每年以十亿瓦特的功 发电, 等同于火力 发电厂燃烧掉 200万 t 的煤炭或 130万 t 的石油,或者等同 于核能发电厂消耗掉 30t 的二氧化铀燃 所生产的电 3。 氘氚来源充足,据估计全球海水中有 45万亿 t 氘,可以提 供世界 100亿 的能源,几乎是取之 尽、用之 竭。 核聚变发电厂的基本设计与核分裂核能发电厂类似, 只 是反应器 同。 核聚变发电厂已被公认是所有基载发电系统 中最 影响环境且最安全的替代方案 2。核聚变燃 的生产 并 使用放射性物质,而且 直接产生放射性废 。但是反 应器结构材 因吸收中子会产生半衰期很短的低放射性。 通 过精心的设计及材 选择可以减少放射性而确实

9、达到低危 害性 45。核聚变发电厂安全研究表明:(1核聚变 会产 生任何放射性废 ,没有废 难解的技术与政治问题; (2 只要减少电浆密 或氘氚供给,核聚变反应可以随时终止, 其控制性比现 核分裂反应器要容 ; (3即使发生最糟糕 的核聚变灾变也 至于对电厂周围的居民产生重大危害; (4核聚变发电厂运转所造成的低放射性结构材 并 需 长时间封存,因此将 会对下一代构成负担。和目前所知的所有能源相比, 核聚变产生的能源是最理 想的, 仅燃料充足, 又 产生温室气体及高放射性核废料, 对气候与环境几乎没有冲击,将可大幅地 低环境污染问 题。 核聚变能源将会是取代化石能源, 供给人类洁净能源的 最好

10、选项。如果采用核聚变机制的核能发电能成功, 将为人 类提供取之 尽的洁净能源,可以满足人类的能源需求,可 以说是最终解决 人类对永续洁净能源需求的问题。4 展望燃烧化石燃 所造成的全球气候与气候变化的社会与 经济成本相当高, 加之再生能源因受天候影响与地理环境的 限制,且在没有价廉且大量电 的储存技术之下,将 大可 能供给稳定的电 ,从而无法满足世界的能源所需。因此, 环境友好且 受天气气候影响并具有稳定能源供给能 者 将成为主要的能源供给 源。和目前所知的所有能源相比, 氘与氚核聚变产生的能源最理想, 它的发展将是长期性世界 经济成长与避免环境恶化的关键。 因此核聚变能源是最友善 环境的永续

11、能源,极有可能成为人类能源的最终解决方案。 美国国家工程学会早在 2008 就发表声明,核聚变能 源研发将是 21世纪 14项科技发展的重大挑战之一。欧洲、 日本、美国、俄罗斯、中国、印度与韩国等涵盖 超过世界 四分之三以上人口的国家于 2005 决定合作建造下一代输 出能量为输入能量 5 倍以上,电浆电 脉冲长度为 500s , 且输出功 为 5亿瓦的“国际热核聚变实验堆(ITER ”。 ITER 反应器坐 在法国, 计划 2020 以前完成兴建, 并且 开始运转。 ITER 将克服的科技挑战包含燃烧电浆的控制与 其物 机理的解读、安全与有效氚燃料的萃取以及有关材 的科学问题。 ITER 将

12、成为世界第一个产出能量远大于输入 能量的核聚变实验反应炉, 为建造大量生产核聚变能源的反 应炉作准备,在 2050 以前,人类有可能开始使用核聚变 能源。参考文献: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页表 2 不同生长素对根的形态及根长的影响生长素种类 平均每株生根数(个平均根长(cm生根特征 根细长,有侧根 (3条 /主根 根细长、较弱,无侧根 根短而粗,呈放射状, 无侧根根较粗壮,有侧根 (4条 /主根NAA 诱导生根, 在植株基部形成愈伤组织, 继而产生呈 放射状排列的短粗型根。从愈伤组织产生的不定根, 往往与 茎之间无维管束组织的直接联系。这样的不定根在移苗时, 根易脱落,成活率极低 3。而分别由 NAA 和 IAA 诱导生根, 植株基部不形成愈伤组织, 根直接由植株基部生出, 所诱导 的根为细长型,并具有侧根,在移苗时,根不易脱落,成活 率高。综合 NAA 和 IBA 对生根的作用,我们将它们组合,选 取二者最适宜的浓度共同诱导生根, 结果平均每株生根数为 6.9个,根长为 1.7,根较粗壮,有侧根,较少产生愈伤组织。 3 结论(1在初代培养阶段,以改良 WPM 作为基本培养基, 以 6-BA1mg/l+NAA0.05mg/l组合最适合东北迎春花外植体 诱导分化。(2在继代与增殖培养阶段,以改良 WPM 作为基本培 养基,以 6-BA3mg/l+NAA0.05mg/l组合效果最为理想。 (3在生根培养阶段,以 NAA0.01mg/l+IBA0.05mg/l组合生根效果最好。(4利用细胞分裂素可以促进腋芽