核聚變:獲取清潔廉價能源的新希望

2019年02月21日11:10  來源:光明日報
 
原標題:核聚變:獲取清潔廉價能源的新希望

  長期以來,核聚變一直被視為清潔、安全、幾乎取之不盡的未來能源選項。與會產生大量有害、難以處理的核廢料的核裂變過程相比,核聚變不僅不會制造任何溫室氣體,且幾乎不產生任何廢物。但當人們問到核聚變何時才能夠民用化和商業化時,此前的說辭永遠是“再過20年或30年”。不過,現在情況可能有變,數家歐美初創公司日前表示,他們可能將核聚變商業應用的時間大大提前。

  罐子中的恆星反應

  與核裂變轟擊分裂較重的原子核相反,核聚變是指以較小的原子核(主要是氘和氚)相結合,在這一過程中釋放出巨大的能量,太陽的能量也正來源於此。就清潔環保、原料來源來看,核聚變要遠遠優於核裂變,它產生的核廢料半衰期極短,維護成本很低,安全性更高,聚變原料可以直接從海水提取,巨量的氘氚原料可以說是取之不盡、用之不竭。因此核聚變很有希望成為未來解決氣候和能源危機的一把關鍵鑰匙。

  但要使氘原子核與氚原子核結合在一起,必須在極大的壓力、極高的溫度下才能完成,而這需要耗費大量能量,比目前我們能從核聚變中獲取的能量還要多。因此要實現“能量增益”(即獲得的能量大於輸入的能量),對人們來說才有意義。這極具誘惑力,卻難以實現。難度來自何處?一大挑戰在於,人們必須打造出強大到足以容納超高溫等離子體並且能承受極高壓力的容器。英國原子能機構首席執行官伊安·查普曼教授指出,其排氣系統“經受的溫度與壓力將與太空飛船重新入軌時差不多”。此外還需要機器人維護系統,以及自動填料、修復與燃料儲存系統等。人們將可控核聚變形象地比喻為“罐子中的恆星反應”。

  這就是為什麼距核聚變民用化總是還要“再過個二三十年”的原因。不過近些年來有數家歐美初創公司另辟蹊徑,它們聲稱,再過5年或更長一些時間,就可以通過“微縮太陽”獲取無窮無盡的能量了。所謂“微縮太陽”,指的就是能夠提供充足、低廉的清潔能源的核聚變反應堆。

  英國的托卡馬克設計方案

  位於英國牛津郡的Tokamak Energy公司在2018年12月剛剛完成最新一輪融資,使其在核聚變項目上的融資規模超過了5000萬英鎊(約合4.35億人民幣)。該公司採用的是一種球型托卡馬克設計方案——利用高溫超導體將等離子體限制在極強磁場中(這裡的“高溫”超導是物理概念,相當於零下70攝氏度)。該公司目前已經打造了三台托卡馬克(一種利用磁約束來實現受控核聚變的環形容器),其中2017年4月28日生產的第三台利用厚30毫米的不鏽鋼和高溫超導磁體打造,命名為ST40。這是最為關鍵的進展,有了這種高溫超導磁體,就可以創造一個強大的磁場,從而避免讓超熱的等離子體破壞反應堆的牆壁。2018年6月,該托卡馬克中的等離子體溫度成功達到了1500萬攝氏度,比太陽核心溫度還要高。該公司希望,2019年夏天,等離子體溫度能夠突破1億攝氏度(一旦達到這個重要閾值,自然排斥的帶電粒子就能被強壓在一起,誘發真正意義上的可控聚變反應)。

  “這是目前最成功的托卡馬克。”Tokamak Energy公司總執行官喬納森·卡靈表示,“球型托卡馬克是一種效率更高的拓扑學結構,因此我們能夠大大提高反應的緊湊度和效率。此外它體積較小,因此靈活度更高,成本也較低廉。”它不同於目前全球規模最大、影響最深遠的國際熱核實驗反應堆(ITER)計劃,那個計劃採用的是大型甜甜圈設計。該公司下一步的目標除了實現聚變所需要的高密度等離子體溫度達1億度外,還計劃在2025年前實現工業規模的示范項目,2030年實現完全商業化應用。

  美國的緊湊型聚變發電裝置

  在大西洋另一邊,美國麻省理工學院正在與新成立的Commonwealth Fusion Systems(CFS)公司合作,共同研發自己的托卡馬克Sparc。CFS是麻省理工學院“等離子科學與聚變中心”衍生出來的創業企業,該創業公司目前已獲得超過7500萬美元投資,其中包括2018年3月從意大利能源公司埃尼(Eni)獲得的5000萬美元。該公司的目標是依據麻省理工學院“等離子科學與聚變中心”的“ARC聚變反應堆”(即價格合理、結實、緊湊的聚變反應堆)概念,打造緊湊型聚變發電裝置。其中的關鍵一步是要建立世界上最強大的超導電磁鐵,超導電磁鐵也是緊湊型聚變裝置托卡馬克的重要組件。CFS和麻省理工學院用於制造超導磁鐵的材料是一種涂有釔-鋇-銅-氧(YBCO)復合材料的鋼帶,這種超導材料最早由IBM蘇黎世實驗室的研究人員發現。這種超導磁鐵的效果非常值得期待,其產生的磁場將是現有聚變設備磁場的4倍,這使得同等尺寸的托克馬克裝置的功率增加10倍以上。

  麻省理工學院與 CFS 預期在3年內完成超導電磁鐵的研究,屆時,他們會用這些超導磁鐵設計並建設一個緊湊型聚變實驗裝置 SPARC。SPARC 的設計熱功率是 100 兆瓦。雖然熱功率不能全部轉化為能,但它已足夠為一座小城市供電。最重要的是,輸出能量是加熱等離子體所需能量的兩倍,也就實現了聚變的技術門檻:淨能量輸出。雖然SPARC的輸出功率隻有ITER的1/5,但它的尺寸也隻有ITER的1/65左右。

  加拿大的核聚變發電廠方案

  與此同時,位於加拿大溫哥華的初創公司General Fusion聲稱,該公司將在未來10年內建造一個原型核聚變發電廠,花費不足10億美元,目前,它已從公共和私人渠道籌集了超過1.5億加元。與ITER計劃及上述兩家企業依靠托卡馬克這樣昂貴的超導磁體來容納所需要的超高溫等離子體以達到和維持聚變反應不同,它採用的是一種相對不那麼高技術的,被認為是對工業界通稱的“磁化靶聚變”改進的一種系統。它主要包含三部分:等離子體注入裝置,主要用於提供燃料﹔一系列活塞,用於壓縮燃料﹔一個裝有旋轉液態金屬混合液(鉛和鋰)的腔體。通過壓縮活塞,產生振蕩波,使腔體內的氘原子、氚原子等密度和溫度不斷上升(當溫度達到幾千萬攝氏度時,氘氚原子早已分裂成電子-質子的等離子形態),從而維持聚變反應所需要的溫度。它的體積也比一個有商業可行性的托卡馬克小得多——ITER正在建造的托卡馬克比很多露天體育場都大。

  “核聚變正處於一個重大的轉折點。如今我們可以將日漸成熟的核聚變技術與21世紀新誕生的輔助技術相結合,如增材制造、高溫超導體等等。核聚變再也不是‘再過30年’的事情了。”General Fusion的首席執行官克裡斯托弗·莫裡指出。該公司希望在5年或更長一些時間實現商業規模的核聚變。

  除此之外,位於加州的“三阿爾法能源”以及位於西雅圖的“氦核能源”公司也在做類似的嘗試,而美國軍工及航空航天巨頭洛克希德·馬丁公司在其位於加州的“臭鼬工廠”建造的緊湊型聚變反應堆也被認為是走在該領域最前沿的項目之一。

  在公共核聚變研究方面,韓國科學家將等離子體溫度加熱到了3億度,並維持了70秒﹔而位於安徽合肥的中國科學院等離子體所的全超導托卡馬克裝置(EAST)實現了101.2秒穩定長脈沖高約束等離子體運行,這是世界上第一個實現穩定高約束達到百秒量級的托卡馬克裝置。

  當然目前全球最大的實驗核聚變設施仍然是ITER(國際熱核實驗反應堆),該核聚變項目共涉及35個國家,投資已達200多億美元,目前還在法國建設。但直到2025年后才會點火試營,此后還需要更長時間才能投入商業應用。

  私營企業的出現很可能對ITER的地位和前景構成挑戰。但無論是由雄心勃勃的私營初創企業還是由各國政府支持的計劃項目贏得最終的競賽,即率先實現商業化可控核聚變,人類都將是最大的贏家。(谷峻戰,系中國科學技術信息研究所副研究員)

(責編:周倩郎、韓婷)

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