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聚焦清洁新能源发展 探索冷聚变技术

来源:中国科技新闻网    作者:本站编辑    2017-07-06

  导语:如何解决人类的清洁可再生能源问题,减少直至消除因使用能源问题,导致环境受污染的难题。这是全世界都在关心的事情,最近我报记者采访了广州冷聚变实验室的核物理科学家林溪石。请他解答了一些有关于冷聚变的问题,现将采访情况报道如下:

  林溪石,广东雷州人,1968年入伍,1969年加入中国共产党。博士生导师,我军工程装备专业学科带头人、国际著名地雷专家、我国军控问题国际谈判技术专家。曾任职中国解放军某科研设计院,高级工程师、总工程师专业技术一级、少将军衔。受聘于沈阳理工大学核物理教授,曾任解放军理工大学硕士生导师、空军工程大学博士生导师,曾当选第七届全国人大代表和第十届全国政协委员,1990年被国家人事部确定为国家级有突出贡献的中青年专家,同时享受国务院特殊津贴,2013年按正军级待遇退休。

  过去的三十余年中,林溪石教授先后取得60余项科研成果,其中达到国际先进水平的成果14项,列入我军装备的成果13项。并先后获得国家级科技进步二等奖2项,国家级科技进步奖三等奖多项,军队级科技进步一等奖 3项,军队级科技进步二等奖16项。因科技成果突出,他荣立一等功1次,二等功4次,三等功5次,相继被沈阳军区评为“军区先进科技工作者”,树为“刻苦攻关的科技干部标兵”;被总参谋部评为“全军科技先进工作者”、被全国科协评为“全国科技先进工作者”。

  有关新能源技术的聚焦与探索

  记者:林教授,我们知道,随着科技进步和医疗水平的提升,人类的寿命不断延长,对资源的需求也随之进一步增加。然而,地球上现有的资源毕竟是有限的,“能源危机”的说法时常见诸新闻。目前我们面临的能源形势是什么?

  林溪石:有资料统计,到下世纪中叶,世界的人口将会达到当今的两倍,并且能源需求将达到三倍。其中发展中国家工业化和经济增长需求占到了极大比例。所以,如果继续使用矿石燃料(煤、石油、天然气和铀),将迅速耗尽这些有限的局部自然资源。而且燃烧这些矿石燃料还会造成不可挽回的环境危害。

  记者:您能就新能源技术的开发和利用给我们讲讲吗?

  林溪石:正如我刚才所说,当今时代的能源形势非常严峻,这促使着世界各国将新能源的开发与利用放在首位。太阳能光伏发电和风力发电是目前最环保的可再生能源之一,但是它们的功率较小,而且供电不够稳定,难以担当代替全社会能源需求的重任。水力发电也是环保可再生能源,但是修建大型水坝对环境生态影响也很大,目前有些国家已经开始拆除大型水电站(例如美国),就连我国的三峡水电站目前国内外有些专家也在议论是否应列入拆除的考虑中。从环保排放的角度看,核能是可以做到零排放的。目前自然界中有两种核能,一种是裂变、一种是聚变,核能除了可以用于武器,如原子弹、氢弹、中子弹等,还可以广泛应用于民用,例如遍布世界各地的核电站就是利用裂变核能做成的,但是目前为止聚变核能还没开发成功,聚变核能无污染无辐射,是自然界的一种可再生能源,它的燃料来自大海,来源广泛容易采集,是人类终身可用的可再生能源,它的开发成功将一劳永逸的解决人类的能源问题核裂变能源是目前广泛应用的能源,它已经广泛地应用在遍布世界各地的核电站和核动力舰船之中。但是核裂变的缺点太严重,它的废料有强烈的放射性,半衰期长达千年之久,难以处理。裂变核电站也很容易发生核事故,一旦发生事故,波及范围很大,危害的时间很长。就像前苏联的切尔诺贝利核电站和前不久的日本福岛核电站事故那样。应该说明的是核裂变所用的燃料铀,在地球上的存量也是有限的,所以说核裂变并不是一种可再生能源。

  记着:林教授,请您给我们讲讲与冷聚变有关的问题。

  林溪石:聚变堆目前处于试验研发阶段,聚变堆最有前途。第一、它的核燃料是从海水中提炼的氢的同位素氘(来源于太阳风带来的氘原子)和人造核元素氚,可以说是资源取之不尽用之不竭。第二、它没有放射性核废料,不产生任何污染。第三、它好控制,随时可以关闭停堆,安全性极好。正因为此,所以世界各国均有杰出科学家投身于此,希望能让聚变堆为民生所用。但是聚变堆的点火和维持反应的条件是需要接近一亿度的高温和十万个兆帕的压力。所以也有人称聚变堆为热堆。这只有天体才能创造的条件,想要在地球上完成十分困难。

  记者:如果达不到高温高压的条件,在常温的条件下,是否还有途径呢?

  林溪石:我认为在自然界中,绝不会只有一种方法达到一个目的。常温核聚变,又称冷核聚变,是指在理论上接近常温(1000K以下)、常压和相对简单的设备条件下发生核聚变反应。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。冷核聚变即是现在所用更正式名称——“低能量核反应”的通俗名称,隶属于凝聚态物质核科学。

  现在世界上有多种核电站,而聚变核电站最有前途,其中常温聚变核电站又是最理想的能源。常温聚变核电技术由于没有放射性污染,不需笨重的保护隔离装置,因而反应堆可以小型化。所以该技术可以广泛应用于船舶、车辆、航空等领域,替代目前的汽油和其他燃料,而且由于零排放,是最清洁的可再生能源。

  发现T粒子 打开新技术大门

  记者:聚变发电技术最早是什么时候出现的?

  林溪石:是在20世纪50年代初。前苏联科学家曾在国际上率先提出磁约束的概念,并于1954年建成了世界上第一个磁约束装置-形如中空面包圈的环形器“托卡马克(Tokamak)”,又称环流器。一般情况下,在超过10万摄氏度的磁场中,原子中的电子就脱离原子核的束缚,形成等离子体。带电粒子会沿磁力线做螺旋式运动,所以等离子体就这样被约束在这种环形的磁场中,叫磁笼。也叫磁约束核聚变(托卡马克)。托卡马克后来发展出一套理论,成为核聚变实验装置的标准模式,被全球模仿,世界各地大大小小各种形式的托卡马克装置如雨后春笋般相继出现。

  一直到本世纪初,在半个多世纪的时间里,托卡马克已经取得了诸多成绩,例如加热温度已达到二千万度,持续时间已达数千毫秒级等,但是总的来看,此类装置距实用距离还有很长一段距离。为了加快托卡马克的进展,国际上的欧盟、中国、美国、俄国、韩国、日本及印度等七方决定合作建造一个规模巨大托卡马克工程。合作建设ITER的七方于2005年6月28日达成协议,选定ITER建设地址。这条开发核聚变的道路,将建在法国南部的卡达拉舍。这一项目耗资500亿欧元,目标是输出的电能比输入电能大的真正发电设备。因为此前的托卡马克都是输入电能大输出电能小的耗电设备,所以人们期望着这个工期为五十年的项目能为人类带来福音和光明。

  记者:能讲讲您在这方面的研究吗?您是出于一个什么样的契机开始这方面的工作的?

  林溪石:首先我要表达对从事托卡马克装置研究并取得成绩的国内外科学家的敬意,他们的工作精神是非常值得钦佩的。但除此外,从学术角度来说,我也要给予一些纠正。就高温高压的核聚变而言,除了磁约束,还有惯性约束、超声约束等等。而除了高温高压的核聚变的方法外,常温核聚变就是一条非常宽广的道路。

  我在这方面的研究源于1995年的一次实验。当时,我无意间发现一个奇怪的现象,即适当浓度的海水在某种频率的电场照射下会产生高热。因为多年的工作经验和基础,我很快意识到这很可能是一种新的物理现象,于是抓住不放,决定查清这桶海水的成分。但是海水中富含各种分子、原子和粒子,不仅种类繁多,而且互相结合、结构复杂,这些给提取造成了很大困难。

  经过对比和选择,我决定采用电渗淅法,把海水中的主要成分淡水分离出去,然后再用蒸馏法去掉海水中成分较多的盐类和钠离子、镁离子等,终于在剩下的原液中发现了相当不明成分的活跃粒子,于是这些粒子暂时命名为T粒子。那些年中,为查明T粒子的详实成分和来源,确实耗费了很多精力和时间。

  后来,我们研究发现,恒星太阳是一个不间断反应着的热核聚变反应堆,它除了发光发热外,还以太阳风的形式向宇宙间散发大量的高能粒子,这些粒子以宇宙尘埃的形式在太空中漫游,散落在太阳系各个天体中。其中地球和月亮由于距离太阳较近,所以受太阳风的影响也较大,散落的宇宙尘埃比较多,散落在地球的太阳粒子通过江河雨水的搬迁作用基本上都流入大海、溶入海洋中。依我的计算,一升含二氧化氘20%左右的海水浓缩液经过充分反应后可产生15000兆焦耳能量,而300升汽油发出的热能量只有13800兆焦耳,所以可以说一升海水浓缩液发出的能量相当于300升汽油发出的能量。由于几亿年来的积累,如今地球上的太阳T粒子存量己相当浩大,如果全球所有大洋的海水全部用于发电,足够全人类使用三亿年以上。因此太阳能T粒子实际上可被视为人类用之不尽的清洁能源。

  值得一提的是到了这一步后,还有海水发热的问题没有解决清楚。所以我又把太阳能T粒子核心问题的研究进一步推进,从成分分析入手,彻查与T粒子有关,亦即氘有关的原子和粒子。在助手和学生的协助下,经过多日的艰苦钻研,最终确定那桶海水中多了一些氦原子而少了一些氘原子,这是终于发生聚变的特征。

  后来,我向大家宣布了两条规定:第一、以前所有太阳T粒子的实验全部重做,试验数据和报告一律存档,不准外传和上报。第二、研究太阳T粒子的目的是用它来发电,解决人类未来能源问题。如果成功其意义不亚于航天工程,但是要求一定要低调,决不可以膨胀,即使取得阶段成果,也不能肆意吹嘘,一定要等全部成果真正获得成功,且经过专家鉴定,并取得同行业肯定后再做统一宣传。

  揭示冷聚变奥秘 推动核心技术研发

  记者:您能给我们简单介绍一下冷聚变的概念吗?

  林溪石:冷聚变又被称作冷核融合,隶属于凝态物质核科学(condensed matter nuclear science, CMNS)的范畴。冷核融合起源于美国科学家马丁·弗莱许曼(MartinFleischmann)和史坦利·庞斯(StanleyPons)所进行的具有争议性的“弗莱许曼-庞斯实验”。当时曾有许多科学家努力重复该实验,却发现无法再现同样的结果。因此人们对冷聚变最大的困难集中在其实验的低重复性和核反应产物不匹配两点上。

  在国际上,冷聚变还被叫做“凝聚态中的核科学”。有学者认为,冷聚变现象是一种新的物理过程。对于轻水和氢气的过程没有核反应,只有重水和氘气有核反应,但是主要能量也不是由核反应产生的。氘聚变比x射线的发射要低几个数量级,所以叫冷聚变是不完全科学的,应该称作电子-粒子束缚态及其引发核过程。这个物理过程在自然界中大量存在,例如太阳耀斑放能。所谓黑洞、中子星、超新星、伽马爆、远伽马重复爆等天体现象也是这个物理过程,它也会对地球物理的能源机制给出新的解释,因此对清洁能源有潜在影响。

  冷聚变是指在相对低温(甚至常温)下进行的核聚变反应,这种情况是针对自然界已知存在的热核聚变(恒星内部热核反应)而提出的一种概念性‘假设’。如果室温条件下的聚变反应能够实现商业化,人类就可以用海水中提取的氘来产生丰富的核能。需要注意的是,其理论假设是当对氘核进行电解时,分子被融进氮气内,释放一个高能中子。目前科学家已经探测到了大量热能,然而仍没有人能探测到释放出来的中子。

  记者:开发冷聚变技术需要注意哪些方面?

  林溪石:开发冷聚变现象对社会具有积极作用。冷聚变的关键技术是在常温条件下实现核聚变。目前科学家们常采用的方法有电解法,即在电解池中放置重水,用金属钯作电极,通电后二氧化氘就会被电极吸附并发生核聚变释放热量和中子,然后重水作为工质将热量置换出来。冷聚变发电技术采用的聚变形式则是另外一种途径:冷聚变燃料。经过雾化处理送到反应腔,在高频电场作用下抱团转动。一般四个粒子对称组团,其中μ粒子居中。μ粒子是在大气电离层产生寿命极短的粒子,其寿命只有皮秒级。当μ粒子突然消失时正在组团运动的氘原子因填补μ粒子突然消失的空间而互相靠近。当两个原子距离达到飞米时,聚变发生,产生二千摄氏度左右高温,通过空气热辐射传到反应腔外壳。μ粒子并不参加反应,它只起催化的作用。冷聚变反应腔的冷聚变燃料中的氘原子在腔内发生聚变反应产生热量,相当于海水在腔内燃烧发热,所以也称为冷聚变反应腔。(冷聚变对燃料的浓度有严格的要求,亦即燃料中含氘量比例太大也不行,太小也不行,要恰到好处,含氘量太大不容易点火,含氘量太小不能维持反应,这个比例要经过严格的计算和反复的试验才能确定)。

  冷聚变发电装置主要燃料是氘原子,也就是氢的同位素氘。可以直接用浓缩海水作冷聚变燃料。冷聚变燃料提取的原理是先用反渗析去掉海水中的钠盐镁盐等,同时再用电解法去掉普通的轻水。经过处理后,水中含氘量就会逐步增加,这就达到浓缩的目的,当用TDS仪表测试浓液时能达到8万PPM值时浓缩液就合格了。

  还有冷聚变锅炉,就是把反应腔置于锅炉中部,工质为普通的轻水。通过加热水产生蒸汽,其原理与火管锅炉相似,从而把反应腔的热量置换出来。我们共设计了150瓦实验发电装置和3兆瓦冷聚变实验电站两种方案。其中150瓦实验发电装置是将冷聚变反应腔放置在液态金属锅炉中(将低熔点的金属加热融化后,形成液态金属锅炉),其工质为低熔点的液态金属,用循环的方式加热传热板,在传热板上装上半导体温差发电元件。温差元件热端为传热板,冷端为循环水系统,使温差元件的冷热温差达到200℃以上。此时,温差元件发出电能,经过适当的并联和串联,可得到一个输出电压为49伏,输出电流为3.1安培,输出功率约为150瓦的冷聚变直流发电装置。

  冷聚变实验发电电站是一种用海水作为燃料发电的装置,它由燃料雾化装置、冷聚变锅炉、冷却水净化处理系统、蒸汽轮机发电机组和相应的变送电设备等部分组成的。

  促进冷聚变科技 用科学造福于民

  记者:请您介绍一下冷聚变核电技术的用途和优势。

  林溪石:由于没有放射性污染,不需要笨重的保护隔离装置,而且零排放,所以冷聚变核电技术是最清洁的可再生能源,可供人类世代享用。根据使用途径可分为几个方向:1. 船用核电站。聚变核电站最适宜用于舰船,因为它使用的燃料就是浓缩海水中的氘原子,可以在大海中直接提取,续航能力几乎无限制。这对于大型军舰和潜艇来说是突出的优点,特别是航母战斗群和潜艇尤如虎上添翼。把所有的常规潜艇都改建成核潜艇,既能增强威力,也可以节约大量费用。2.车用核电站。把聚变电站装在重型卡车、高铁动车组和大型巴士上是完全可能的。进一步改进,减少体积和重量后也可放在普通轿车上,完全可以应付油价上涨。3. 航空核电站。减轻电站的重量(1.5吨以下)增加功率到200千瓦就可用于电动螺旋桨飞机(不能用于喷气式飞机),这种飞机特点是航程远,运营费用低。

  因为太阳每天以太阳风的形式向宇宙发送上亿吨的氘原子,每天落到地球上的氘原子足够全世界人类用一年以上,所以氘原子实际上是用之不尽的可再生能源。作为一项重大发明,冷聚变发电技术应用广泛,意义重大,不但有可能在本世纪引起一场新的工业革命,还有可能在世界范围上创造一个数万亿美元的大产业。

  但同时我们也应该意识到,冷聚变是一项非常新的技术,在研发的初期需要大量的资本投入。据评估,设计一个反应器的原型在启动阶段需要几千万美元,才能让其运转起来。因为冷聚变产品是一个革命性的产品并且是有改变世界的潜力,需要将名声打出去,要做到这一点也需要上千万美元。但制造发电机的机器和零件与核反应堆相比并不昂贵。一个冷聚变反应器所需要使用的燃料并不难找,而且价格也不能单纯以表面标价来衡量。冷聚变的燃料是含有一定比例的重水的浓缩海水配方。一升含二氧化氘20%左右的海水浓缩燃料成本价约160元左右,如果生产规模进一步扩大,价格还会进一步降低。由此可见,冷聚变发电技术是一种很廉价的清洁能源。

  记者:您认为要推广冷聚变技术,有哪些可行方法?

  林溪石:当然冷聚变的方法和途径有很多,最近意大利科学家罗西曾提出氢原子内部的质子通过隧穿效应,进入到锂7的原子核(锂的同位素),形成原子核硼8(硼的同位素)。硼的同位素在几秒钟内衰变成两个阿尔法粒子(氦原子)。这个过程伴随着巨大能量的释放。我认为这个实验很有意义,俄罗斯、中国等国的科学家都声称成功复制了罗西的实验,这些实验表明,用镍氢锂可以作为燃料实现冷聚变,这也是可行的途径之一。

  冷聚变揭示的现象为探索微观世界提供了一种崭新的手段,即我们有可能通过桌面反应就做到以前必须由大型加速器才能做到的事。例如现在的激光尾场加速技术已使带电粒子达到GeV量级的能量,而冷聚变正是这种趋势中的一个极致,尽管现在还不为人解。作为最简单的对比:原来热核聚变研究需要大型的托卡马克才能达到的一些指标,现在冷聚变实验仅需要一个手持玻璃瓶就能实现。

  如今,已经可以证明常温核聚变的事实是存在的,这种物理现象可以进行商业开发。因此,我很盼望人们能够投入更大的精力去发展这种可再生能源,开展公平公开的技术竞争。我期待着能够用20年时间替代和淘汰全国现有的燃煤火电站,让冷聚变发电技术切实地造福于民。

  应该指出现在冷聚变技术还鲜为人知,从事冷聚变技术的研究机构和科学家很少,据我所知,目前只有广州冷聚变实验室的林溪石、厦门大学实验室的田中群教授、清华大学实验室的李兴中教授、长春理工大学田坚教授、中国原子能科学院蒋崧生教授、西安冷聚变实验室张航教授等,在坚持继续开发和研究,而支持他们的机构和力量很单薄,基本上属于无人问津,单枪匹马的状态。与其相反国外冷聚变技术正在得到蓬勃的发展,如美国、日本和意大利不但都投入大量的人力物力进行研究,他们还组织论坛每年都定期学术研究和讨论,根据国际冷聚变论坛报导,上述国家每年都有许多关于冷聚变的新技术和应用技术取得进展,有些项目将接近实现化。冷聚变是一项前沿基础科学,不是六个月就能出栏的肥猪,急功近利的政策是无法促进此类项目的发展的。

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