广告

物理观察:聚变的未来?

明天的发电厂会靠几盎司的氢和硼来运行,而不是几百吨的煤吗?物理学家亨德里克·蒙克霍斯特对此深信不疑。

Google NewsGoogle News Preferred Source

新闻简报

注册我们的电子邮件新闻简报,获取最新的科学新闻

注册

聚变爱好者们期待着在下个世纪,反应堆通过碰撞氢原子,能够产生几乎无限的能量,而没有烟囱冒烟或放射性废料。聚变方面的好消息是,去年秋天,英国的一个实验反应堆产生了创纪录的1600万瓦。坏消息是,进入反应堆的能量超过2400万瓦。佛罗里达大学盖恩斯维尔分校的物理学家亨德里克·蒙克霍斯特对当前研究的前景持悲观态度。相反,他对一种新颖的聚变方案感到兴奋,他相信这将是一种清洁、廉价的能源。

广告

创纪录的英国反应堆——位于阿宾顿的联合欧洲托卡马克,与许多实验聚变反应堆一样,使用强大的磁场将带电氢的云,即等离子体,约束在一个巨大的甜甜圈形腔体中。磁场剥离氢原子的电子,并将氢原子碰撞在一起。每当两个原子聚变时,它们都会释放能量。诀窍在于让足够多的原子聚变,使整个过程能够自我维持。

但蒙克霍斯特说,即使有人实现了这一壮举,这样的反应堆也无法提供其倡导者承诺的清洁能源。主要问题在于反应堆使用的氢同位素燃料。当一个氘原子(一种含有中子和质子的氢同位素)与一个氚原子(一种含有两个中子和一个质子的氢同位素)碰撞时,两个原子会聚变,产生氦,氦含有两个质子和两个中子。这会产生一个多余的中子,它会撞击反应堆的壁,将壁中的金属转变成放射性同位素。全尺寸反应堆所需的庞大屏蔽意味着聚变电厂将是巨大的,而且远离需要能源的城市。

蒙克霍斯特有一个设计,至少在理论上,有望产生比现有反应堆少得多的辐射。他的方案基于一个众所周知的过程。质子和硼原子的反应是已知最早的聚变反应之一,可以追溯到20世纪30年代后期在英国,但蒙克霍斯特说,它只因其天体物理学意义而被研究。当一个质子与一个硼原子(含有五个质子和六个中子)聚变时,新原子核会分裂成三个氦原子核。由于没有剩余的质子或中子,辐射量大大减少。

实验表明这种反应有效,但碰撞的硼原子和质子发生聚变的速率范围非常狭窄。在标准的聚变反应堆中,原子的速度和方向是随机的,正确原子以正确速度相遇的概率几乎为零。因此,蒙克霍斯特“做了手脚”:与其试图将硼原子和质子约束在等离子体中,不如采用一种不同类型的反应堆,借鉴粒子物理学的方法,将质子加速到合适的udent速度,然后引入一些缓慢的硼原子供质子碰撞。蒙克霍斯特说,大约一千万次近距离碰撞中,只有一次会发生聚变。这听起来很糟糕,但粒子每秒在反应腔中以1亿次的速度围绕运动,因此反应只需几秒钟即可完成。

由硼-质子聚变产生的高能氦原子将通过磁体和线圈减速,将粒子的能量转化为电能。尽管硼-质子聚变释放的能量仅为氘-氚过程的一半,但蒙克霍斯特认为,辐射的减少和反应堆尺寸的减小(他声称反应堆可以安装在一个大型办公楼的地下室)让他的提议具有优势。他说,没有放射性燃料进入,也没有放射性废物出来。在一天之内,这种类型的发电厂将只使用200克硼,而不是700吨煤。

一些物理学家质疑这个方案是否可行。英国实验聚变反应堆的副主任艾伦·吉布森说,质子从与硼原子近距离错过的散射会产生一个混乱、炽热的等离子体,不会产生多少硼-质子聚变。他说,即使按照作者自己的论点,事情看起来也很困难。

蒙克霍斯特坚称,他的团队的工作基于数十年的实验和理论证据。他说,只需要有人建造一个测试反应堆,他希望一旦筹集到资金就能做到。

保持好奇

加入我们的列表

订阅我们的每周科学更新

查看我们的 隐私政策

订阅杂志

订阅可享封面价高达六折优惠 《发现》杂志。

订阅
广告

1篇免费文章