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虽然主流科学界对冷核聚变持否定态度,但是也有许多科学家并未就此罢休,22年来,不断有人坚持探索“冷核聚变”的可能性。
这一次真的是“冷核聚变”吗?
冷核聚变(Cold Fusion)是指在接近常温常压和相对简单的设备条件下发生的核聚变反应。核聚变反应中,多个轻原子核被强行聚合形成一个重原子核,并伴随能量释放。它的专业名称是“低能核反应”。
据美国物理学家组织网2011年11月8日报道:意大利波隆纳大学物理学家安德烈·罗西(Andrea Rossi)宣称,由他制造的一种名叫“E-CAT”的“镍氢冷核聚变装置”,已经成功实现“冷核聚变”,不久即将批量生产并投入实际应用。
消息传出,在学术界引起的震动不亚于一次真正的核爆炸,因为许多科学家都在梦寐以求地寻找新的核聚变途径。按照目前的核聚变原理,核聚变只能在极端的高压和高温条件下才能产生。如果能实现冷核聚变,便意味着人类将拥有几乎取之不尽、用之不竭的清洁能源。
据报道,罗西的“E-CAT”装置于2011年10月28日在博洛尼亚大学正式公开测试。出席此次测试活动的人员,主要是罗西的首批匿名客户和媒体记者。到场的还有一些知名人士,其中包括两位观察员,一名是瑞典皇家科技协会的理论物理学副教授、瑞典质疑协会会长汉诺·埃森;另外一名是乌普萨拉大学的斯文·库兰德教授,同时也是瑞典皇家科学院能源委员会会长。这两位的使命主要是对公开测试的科学性进行监督。
据罗西介绍,E-CAT装置可以根据设计功率的不同,随意进行配置。这次进行公开测试的E-CAT装置,包括一个不锈钢反应容器,置于一个铜管内部,水流经铜管和不锈钢反应器的夹层。设置了水和氢气的进口。通过铜管外缠绕的电阻流经的电流给反应器充电,当达到一定温度的时候,反应器开始工作。
实验结果产生了大概持续6个小时的稳定于4.69千瓦的能量供应。另外,需要输入能耗大概是330瓦,其中30瓦用于该设备的电子控制部分。能耗比这个装备产能的十五分之一还要小。
与传统核反应堆不同,“E-CAT”装置不用放射性铀、鈈为燃料,而是利用普通的非放射性镍和氢为原料。将极微小的镍粉颗粒放在一个容积为一升的小容器中,与一些未公开的(知识产权的原因)非放射性催化剂混合,和氢气一起加温加压,温度升到450—500摄氏度左右,即开始发生核聚变反应,同时产生大量的热能。镍和氢价格便宜,储量丰富,储存运输成本低。而“E-CAT”装置用料又非常的节省。100克镍粉至少可供10千瓦级镍氢冷核聚变装置使用半年,10千克镍粉可供兆瓦级镍氢冷核聚变装置使用半年。以煤耗357克/千瓦时计算,燃10千克镍粉即相当燃1500吨煤,二者相差15万倍。另据罗西计算,一克镍粉释放的能量相当于500桶石油。现在一磅镍价值不到20美元。因此,罗西的镍氢冷核聚变装置运行所耗燃料的价值是微不足道的。
传统核反应堆为了防核辐射外泄,外壳需要几米厚的铁和钢筋混凝土保护,当铀、鈈燃料用完后放射性仍保留达数千年。同时,需放在冷却池中用水冷却一年多才能安全的运送到储存地点保存起来,这对安全和环境具有潜在的危险。罗西的镍氢冷核聚变装置在工作时的放射性主要是低能的γ射线,只需要加2厘米厚的铅保护即可。反应堆关闭数分钟后即无任何放射性,且无任何核废料产生。因此镍氢冷核聚变装置周围的居民无需担心核辐射和核泄漏危险。传统核电站,为了保证安全,核反应堆的核燃料棒的处理储存都是代价高昂的。而储存运输普通的镍则耗费无几。
罗西的支持者们对罗西的镍氢冷核聚变装置推崇备至,甚至宣称:20年后,世界上不会有电缆,家家户户都使用自己的冷核聚变进行发电。所有的机动车都靠冷核聚变驱动,到那时,加油站也会集体消失。当然,这一切的前提是:罗西的实验和演示必须是真实可靠的。目前,该事件得到了包括福克斯新闻网、《福布斯》杂志等多家西方主流媒体的强烈关注,但真实结果仍然存疑,许多科学家质疑其说法违背物理学原理。科学家表示,罗西在声称他已经成功实现冷核聚变前,应该能让他实验室以外的其他实验室可以复制这项实验,并对其进行分析。能源顾问乔纳森·库米说:“在独立科学家能够复制这些实验结果前,(E-CAT试验)应该被视为一个骗局。”但是能源新机构纯能源系统的CEO斯特林·艾伦称,他参加了罗西的实验演示工作,E-CAT装置确实能够自我持续下去。
核聚变能源利用的前景和困境
核能有裂变能和聚变能两种。裂变能是重元素(如铀、钍等)的原子核在分裂过程中所释放的能量。目前世界上所有核电站都是利用裂变能进行发电的。其优点是少量原料就可产生巨大的电能、环境污染少和不存在对石化燃料的依赖。缺点是若核燃料无法控制则会导致能量输出急剧升高,造成失控和事故的发生;所产生的核废料有放射性,对环境会造成污染;同样也存在资源有限的制约。全球目前已建成以原子核裂变能量发电的核电站近500座。世界核电发电量已占电力总发电量的17%,不少国家已占30%以上。立陶宛占80%、法国已占78%。
核聚变是指由质量小的原子,主要是指氘或氚,在一定条件下(如超高温和高压),发生原子核互相聚合作用,生成新的质量更重的原子核,并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。核聚变不会产生核裂变所出现的长期和高水平的核辐射,不产生核废料,也不产生温室气体,基本不污染环境。地球上蕴藏的核聚变能远比核裂变能丰富得多。据测算,每升海水中含有0.03克氘,所以地球上仅在海水中就有45万亿吨氘。1升海水中所含的氘,经过核聚变可提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量。按目前世界能量的消耗率估计,地球上蕴藏的核聚变能可用100亿年以上。
要把核聚变时释放出的巨大能量作为人类的能源,必须对剧烈的聚变核反应加以控制,因而称为受控核聚变。实现受控核聚变的的首要条件是需要极高的温度。两个氘核的聚变反应,温度必须高达一亿摄氏度;对于氘核与氚核间的聚变反应,温度必须在五千万摄氏度以上。
目前的受控核聚变研究,主要是沿着热核聚变的途径进行。将聚变所用的氘加热至上亿度,使整个氘燃料成为总体呈电中性,由带正电的氘离子和带负电的电子所组成的一团混合物,这样的混合物被称为物质第四态的高温等离子体。这样的反应方法使人很容易想到生炉子的道理:要想让炉里的煤燃烧,首先必须点燃足量的煤,使它们发出的热除了弥补散失的热量外尚有富裕,这样煤才能越烧越旺。
还有一个引发受控反应的必要条件,就是要对参与反应的燃料等离子体气团施以足够的压力和混合聚集,也就是对它们加以必要而充分的约束。因为在1亿度的高温下,等离子体中的粒子速度可高达每秒1千公里以上。如果不加约束,这些等离子体会在瞬间逃之夭夭。为了保证反应的持续进行,这种高温高密的等离子体气团还必须能维持足够长的时间,这就需要找到一个“容器”,并且利用约束手段将高温高密的等离子体约束起来,不让它损坏容器。
50多年来对核聚变的研究,不外乎沿着磁约束和惯性约束两大途径进行。磁约束是利用强磁场可以很好地约束带电粒子这个特性,构造一个特殊的磁容器,建成聚变反应堆,在其中将聚变材料加热至数亿摄氏度高温,实现聚变反应。惯性约束与磁约束不同,实际上对等离子体不加约束。而是利用粒子的惯性,在它们来不及跑散之前就发生聚变反应,以取得足够的能量。众所周知的氢弹爆炸就是采用了惯性约束,不过氢弹是靠原子弹引爆的,而人类目前还无法加以控制,于是就改用其它高功率物质(如激光、电子束、离子束)来轰击一颗颗微小的氘氚燃料丸,将它极其快速地压缩和加热,这实际上是一颗颗微型氢弹爆发。