核聚变:获取清洁廉价能源的新希望

2019年02月21日11:10  来源:光明日报
 
原标题:核聚变:获取清洁廉价能源的新希望

  长期以来,核聚变一直被视为清洁、安全、几乎取之不尽的未来能源选项。与会产生大量有害、难以处理的核废料的核裂变过程相比,核聚变不仅不会制造任何温室气体,且几乎不产生任何废物。但当人们问到核聚变何时才能够民用化和商业化时,此前的说辞永远是“再过20年或30年”。不过,现在情况可能有变,数家欧美初创公司日前表示,他们可能将核聚变商业应用的时间大大提前。

  罐子中的恒星反应

  与核裂变轰击分裂较重的原子核相反,核聚变是指以较小的原子核(主要是氘和氚)相结合,在这一过程中释放出巨大的能量,太阳的能量也正来源于此。就清洁环保、原料来源来看,核聚变要远远优于核裂变,它产生的核废料半衰期极短,维护成本很低,安全性更高,聚变原料可以直接从海水提取,巨量的氘氚原料可以说是取之不尽、用之不竭。因此核聚变很有希望成为未来解决气候和能源危机的一把关键钥匙。

  但要使氘原子核与氚原子核结合在一起,必须在极大的压力、极高的温度下才能完成,而这需要耗费大量能量,比目前我们能从核聚变中获取的能量还要多。因此要实现“能量增益”(即获得的能量大于输入的能量),对人们来说才有意义。这极具诱惑力,却难以实现。难度来自何处?一大挑战在于,人们必须打造出强大到足以容纳超高温等离子体并且能承受极高压力的容器。英国原子能机构首席执行官伊安·查普曼教授指出,其排气系统“经受的温度与压力将与太空飞船重新入轨时差不多”。此外还需要机器人维护系统,以及自动填料、修复与燃料储存系统等。人们将可控核聚变形象地比喻为“罐子中的恒星反应”。

  这就是为什么距核聚变民用化总是还要“再过个二三十年”的原因。不过近些年来有数家欧美初创公司另辟蹊径,它们声称,再过5年或更长一些时间,就可以通过“微缩太阳”获取无穷无尽的能量了。所谓“微缩太阳”,指的就是能够提供充足、低廉的清洁能源的核聚变反应堆。

  英国的托卡马克设计方案

  位于英国牛津郡的Tokamak Energy公司在2018年12月刚刚完成最新一轮融资,使其在核聚变项目上的融资规模超过了5000万英镑(约合4.35亿人民币)。该公司采用的是一种球型托卡马克设计方案——利用高温超导体将等离子体限制在极强磁场中(这里的“高温”超导是物理概念,相当于零下70摄氏度)。该公司目前已经打造了三台托卡马克(一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器),其中2017年4月28日生产的第三台利用厚30毫米的不锈钢和高温超导磁体打造,命名为ST40。这是最为关键的进展,有了这种高温超导磁体,就可以创造一个强大的磁场,从而避免让超热的等离子体破坏反应堆的墙壁。2018年6月,该托卡马克中的等离子体温度成功达到了1500万摄氏度,比太阳核心温度还要高。该公司希望,2019年夏天,等离子体温度能够突破1亿摄氏度(一旦达到这个重要阈值,自然排斥的带电粒子就能被强压在一起,诱发真正意义上的可控聚变反应)。

  “这是目前最成功的托卡马克。”Tokamak Energy公司总执行官乔纳森·卡灵表示,“球型托卡马克是一种效率更高的拓扑学结构,因此我们能够大大提高反应的紧凑度和效率。此外它体积较小,因此灵活度更高,成本也较低廉。”它不同于目前全球规模最大、影响最深远的国际热核实验反应堆(ITER)计划,那个计划采用的是大型甜甜圈设计。该公司下一步的目标除了实现聚变所需要的高密度等离子体温度达1亿度外,还计划在2025年前实现工业规模的示范项目,2030年实现完全商业化应用。

  美国的紧凑型聚变发电装置

  在大西洋另一边,美国麻省理工学院正在与新成立的Commonwealth Fusion Systems(CFS)公司合作,共同研发自己的托卡马克Sparc。CFS是麻省理工学院“等离子科学与聚变中心”衍生出来的创业企业,该创业公司目前已获得超过7500万美元投资,其中包括2018年3月从意大利能源公司埃尼(Eni)获得的5000万美元。该公司的目标是依据麻省理工学院“等离子科学与聚变中心”的“ARC聚变反应堆”(即价格合理、结实、紧凑的聚变反应堆)概念,打造紧凑型聚变发电装置。其中的关键一步是要建立世界上最强大的超导电磁铁,超导电磁铁也是紧凑型聚变装置托卡马克的重要组件。CFS和麻省理工学院用于制造超导磁铁的材料是一种涂有钇-钡-铜-氧(YBCO)复合材料的钢带,这种超导材料最早由IBM苏黎世实验室的研究人员发现。这种超导磁铁的效果非常值得期待,其产生的磁场将是现有聚变设备磁场的4倍,这使得同等尺寸的托克马克装置的功率增加10倍以上。

  麻省理工学院与 CFS 预期在3年内完成超导电磁铁的研究,届时,他们会用这些超导磁铁设计并建设一个紧凑型聚变实验装置 SPARC。SPARC 的设计热功率是 100 兆瓦。虽然热功率不能全部转化为能,但它已足够为一座小城市供电。最重要的是,输出能量是加热等离子体所需能量的两倍,也就实现了聚变的技术门槛:净能量输出。虽然SPARC的输出功率只有ITER的1/5,但它的尺寸也只有ITER的1/65左右。

  加拿大的核聚变发电厂方案

  与此同时,位于加拿大温哥华的初创公司General Fusion声称,该公司将在未来10年内建造一个原型核聚变发电厂,花费不足10亿美元,目前,它已从公共和私人渠道筹集了超过1.5亿加元。与ITER计划及上述两家企业依靠托卡马克这样昂贵的超导磁体来容纳所需要的超高温等离子体以达到和维持聚变反应不同,它采用的是一种相对不那么高技术的,被认为是对工业界通称的“磁化靶聚变”改进的一种系统。它主要包含三部分:等离子体注入装置,主要用于提供燃料;一系列活塞,用于压缩燃料;一个装有旋转液态金属混合液(铅和锂)的腔体。通过压缩活塞,产生振荡波,使腔体内的氘原子、氚原子等密度和温度不断上升(当温度达到几千万摄氏度时,氘氚原子早已分裂成电子-质子的等离子形态),从而维持聚变反应所需要的温度。它的体积也比一个有商业可行性的托卡马克小得多——ITER正在建造的托卡马克比很多露天体育场都大。

  “核聚变正处于一个重大的转折点。如今我们可以将日渐成熟的核聚变技术与21世纪新诞生的辅助技术相结合,如增材制造、高温超导体等等。核聚变再也不是‘再过30年’的事情了。”General Fusion的首席执行官克里斯托弗·莫里指出。该公司希望在5年或更长一些时间实现商业规模的核聚变。

  除此之外,位于加州的“三阿尔法能源”以及位于西雅图的“氦核能源”公司也在做类似的尝试,而美国军工及航空航天巨头洛克希德·马丁公司在其位于加州的“臭鼬工厂”建造的紧凑型聚变反应堆也被认为是走在该领域最前沿的项目之一。

  在公共核聚变研究方面,韩国科学家将等离子体温度加热到了3亿度,并维持了70秒;而位于安徽合肥的中国科学院等离子体所的全超导托卡马克装置(EAST)实现了101.2秒稳定长脉冲高约束等离子体运行,这是世界上第一个实现稳定高约束达到百秒量级的托卡马克装置。

  当然目前全球最大的实验核聚变设施仍然是ITER(国际热核实验反应堆),该核聚变项目共涉及35个国家,投资已达200多亿美元,目前还在法国建设。但直到2025年后才会点火试营,此后还需要更长时间才能投入商业应用。

  私营企业的出现很可能对ITER的地位和前景构成挑战。但无论是由雄心勃勃的私营初创企业还是由各国政府支持的计划项目赢得最终的竞赛,即率先实现商业化可控核聚变,人类都将是最大的赢家。(谷峻战,系中国科学技术信息研究所副研究员)

(责编:周倩郎、韩婷)

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