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了解核聚变动力火箭 难受控制的阿拉丁神灯(图)

http://www.kexue.com 2013-04-27 09:05:40 腾讯科学  发表评论

核聚变动力火箭 难受控制的阿拉丁神灯
核聚变火箭概念图

  核聚变理论的提出已经有数十年,世界上有一部分科学家对这种核动力的火箭系统也非常看好,并为之不惜人力物力。早在2009年,英国《新科学家》杂志就在文章中预测这种核聚变动力火箭系统数十年后即可实现。

  4月12日,美国媒体报道了华盛顿大学的科学家与空间推进研究公司MSNW正在进行一项新型核聚变火箭技术的研究,并称有望将载人火星航行变成现实。

  核聚变能量用之不竭

  核能应用的两种主要方式是核裂变和核聚变。

  自从20世纪中期开始建立裂变原子能电站以来,核裂变已经发展为成熟的技术,但是作为原料的铀矿还是会面临与其他化学能源一样枯竭的未来。而且,由于核裂变技术对环境污染的风险,在一些国家和地区对这种技术的应用依然犹豫不决,更别说利用核裂变作为动力发射火箭,可能对全球大气带来的污染风险。

  核聚变相比核裂变,最大的优势之一是其丰富的燃料储备,其来源是海水中极其丰富的氢原子的同位素氘和氚。1克氘完全燃烧相当于8吨燃烧所释放的能量。聚变过程中,虽然氚也是放射性元素,但其半衰期短(12年,铀的同位素半衰期需数亿年到数十亿年不等),放射性污染也相对少,比起裂变碎片的放射性处理简单很多。

  因此核聚变能源的清洁与用之不竭吸引了科学家为之数十年不懈的努力。而在人们期待在太空中走得更远的今天,将核聚变能源作为动力发展星际旅行飞船就变得极具诱惑力。
核动力缩短火星旅程至十分之一

  依照目前人类现有的化学燃料技术,完成一次火星往返任务至少需要4年,如果核聚变动力真的成为现实,那么,这趟行程30至90天就可以完成。

  华盛顿大学航空航天学副教授约翰·劳斯认为利用现有的化学能火箭几乎不可能完成地月系之外的行星际载人探索,对火星乃至更远天体的探索需要一个更强大的能源。他所带领的研究小组提出的核聚变宇宙飞船前往火星计划已经有了详细的计算机建模和初步实验结果,并获得了第二轮研究经费。

  他们设想的核聚变火箭采用等离子体喷射流技术,将蓝色的等离子体流注入火箭喷嘴,在各层金属环(锂金属)结构控制的压力室内被压缩,将能量突然释放出来,使得锂金属在磁场控制下的喷嘴区域蒸发、电离,由此产生了可驱动火箭前进的推力。

  该研究小组设计的核聚变火箭只需要质量很低的核材料,一粒沙子大小的核材料相当于1加仑(约3.8升)的火箭燃料。聚变系统中会形成强大的磁场,将等离子体压缩,点燃核聚变的过程仅几微秒,可在极端的时间内释放出足够的能量。整个过程可被快速重复,这样就能产生推力驱动宇宙飞船。
设想也许好高骛远

  1952年11月1日在西太平洋埃尼威托克岛秘密爆炸了一颗氢弹,人类成功实现了核聚变。但是,如何将这巨大的能量能够缓慢的释放,成为像核裂变一样可控的能源,在之后的50多年却进展缓慢,依旧困难重重。氢弹爆炸释放的能量,能否成为阿拉丁神灯中的魔鬼,成为受人类控制的能源,也有科学家持谨慎态度。
“到目前为止,可受控的核聚变反应还存在很多问题无法解决。”中国科学院院士、物理学家何祚庥在接受《中国科学报》记者采访时说。

  他介绍,目前,人们推行的受控热核聚变反应有两种类型。一种是托卡马克型,一种是惯性约束聚变。

  托卡马克型反应堆主要存在两个问题。“第一大问题是它的理论还没有搞清楚,其中之一就是等离子体的不稳定性,”他说,“一旦等离子体出现不稳定,受控热核反应就不能进行。现在所提出的受控是盲目的。”

  他认为,第二个重要问题是材料。受控核聚变反应的原理是一定需要真空中的等离子体来实现。这就需要一个真空盒。现在,在真空盒中最容易实现的是氘与氚的反应。氘与氚的反应过程中,一方面释放热量,一方面又释放大量中子。这些中子会直接将真空盒材料的原子核打得七零八落,这会大大影响真空盒的寿命。“随着核反应功率的大大提高,真空盒遭到中子的攻击就越严重,真空盒的寿命就会变短。”他说,“这种短不是十年二十年,而是只有几个月甚至几个星期。而目前甚至从理论上还没有解决材料问题的方法。关键,还看不到有什么样的理论可以解决这个问题。”

  如此一来,岂非飞船还未到火星,可能动力就会丧失殆尽。

  惯性约束聚变是利用激光打到球形氘氚靶上,加热氘氚完成核聚变。对这种理论何祚庥举了一个例子。

  目前研究比较多的是美国的一个实验室,美国方面也为这项研究投入了几百亿美元。但近来,他们的研究遭到了严重的困难。实验结果与理论计算差了1个数量级(10倍)。他们利用氢弹的理论计算程序进行了反复考量,但实验结果依然相差10倍以上。何祚庥告诉《中国科学报》记者:“他们准备用三年的时间证明两件事,第一是为什么差10倍,第二则是,这条路能否走通!”

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