人工核聚變何日實現(xiàn)

編譯 莫莊非

有專家表示，用核聚變?yōu)槿祟惞┙o能源的可行性已經大大增加了。

英國政府最近宣布投資2億英鎊用以打造一座核聚變電站，并計劃在2040年之前實現(xiàn)此目標。

政府及合作企業(yè)告訴BBC，他們的短期目標是在5年內使這個能發(fā)電的聚變反應堆的示范模型正常工作。

盡管如此，這條“聚變發(fā)電”之路也是道阻且長。

像風能和太陽能這些現(xiàn)有的可再生能源已經越來越普及，價格也越發(fā)低廉，與核聚變這樣未經驗證的技術相比，它們可以提供一種更經濟、更及時的清潔電力。

自20世紀50年代以來，核裂變一直是我們從原子中獲取電力的唯一途徑，它非常昂貴，且會產生大量放射性廢物，由它衍生出的核武器更是一顆威脅著人類生存的超級定時炸彈。而核聚變與核裂變完全不同，它在太陽中燃燒。

什么是核聚變？

聚變是太陽的能量來源。

每隔一秒鐘就會有數(shù)百萬噸的氫原子在太陽內部超高溫度與壓力下壓縮，然后互相撞擊，這迫使它們的原子鍵斷裂再結合，生成更重的氦元素。

太陽聚變產生大量的熱和光。

幾十年來，研究人員一直在嘗試復制太陽聚變。如一位物理學家所說的，人類要“建構一個盒子里的太陽”。其基本思路是吸收一種氫氣，將其加熱到1億攝氏度，形成稀薄、易碎的等離子體，然后使用強大的磁鐵控制它，直到原子融合并釋放能量。

這種聚變模式可以產生電力，且發(fā)電過程低碳、損耗量少，也沒有爆炸的危險。

聚變發(fā)電這一概念要落地，于是國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃應運而生。

大手筆能否有高回報？

ITER項目涉及35個國家，目前正在法國南部建造一座大型試驗反應堆。

項目計劃在2025年研發(fā)出第一束等離子體。但實際上，從能生產等離子體到能生產電力之間，溝壑依然巨大。

另一方面， ITER飽受計劃的長時間推延和預算超支的困擾，這意味著示范聚變電站不大可能會如期在2050年運轉起來。

位于法國南部的國際熱核聚變實驗堆。這個計劃的目標之一是在2025年研發(fā)出第一束等離子體

英國原子能管理局（UKAEA）首席執(zhí)行官伊恩?查普曼（Ian Chapman）教授說道：“ITER難以如期完成計劃的原因之一是，這確實太難了?！?/p>

“我們正在做的事情已經超出了人類對技術的已有認知。當然，克服眼前的這些障礙是我們必須要做的事情，我們一直在努力，ITER會到來，我對此深信不疑?！?/p>

在ITER 2025年投入運行之前，設在英國的歐共體聯(lián)合聚變中心（JET）仍然運轉著世界上最大的核聚變實驗。

目前歐盟對JET的資金支持會持續(xù)到2020年底，但在那之后JET何去何從，英國在脫歐后是否以及如何參與ITER，都不明朗。

在不明朗面前，英國政府最近宣布了一項2.2億英鎊的計劃，用于在2040年前建成一座核聚變發(fā)電站。

在接下來的4年中，位于牛津郡庫勒姆的研究人員將開發(fā)一種名為階梯（Step）或球形托克馬克（Spherical Tokomak）的聚變發(fā)電設備，以進行能源生產。

最廣為人知的核聚變方法需要用到一種名為托卡馬克的甜甜圈形真空室。在托卡馬克內，氫氣會被加熱到1億攝氏度，變成等離子體；而強大的磁體則會控制著等離子體直至聚變發(fā)生。

在英國，研究人員開發(fā)出了另一種形式的托卡馬克，它長得更像一個蘋果核，被稱為球形托卡馬克；它的結構也更緊湊，如果應用于電力系統(tǒng)，使得在城鎮(zhèn)里建造發(fā)電廠成為可能。

UKAEA的納娜?海伯格（Nanna Heiberg ）說：“找到適合放置這些大型設備的地方很難?！?/p>

通用核聚變公司相信他們的聚合方法會在5年內奏效

“我們希望將發(fā)電設備安置在真正需要能源的地方。如果它們占據(jù)的空間更小，那么就可以安置更多的設備，也更容易把它們放在距離用戶更近的地方?！?/p>

多方發(fā)力核聚變

在各國政府與ITER角力的同時，許多國家也在推進自己的計劃。中國、印度、俄羅斯以及美國等國家正在開發(fā)商用反應堆。

除了英國政府注資核聚變反應堆，歐洲投資銀行（EIB）也向意大利的核聚變項目投入數(shù)億歐元，該項目希望能在2050年之前生產聚變能。

但是，更多的興奮也許來自私人公司。它們通常更小，更靈活，會通過犯錯誤并從中快速學習來發(fā)展。

目前全球有數(shù)十家公司正籌集資金推進核聚變研發(fā)，不過他們采用的方法與ITER和JET都不同。

這里展示一些不同核聚變方法的簡例。

英國黎明核聚變公司（LFL）：該公司起源于牛津大學，是專為滿足全球能源系統(tǒng)迫切的“去碳化”需求而創(chuàng)建的。他們希望通過投射物撞擊含有氫原子的目標來實現(xiàn)產生等離子的目標。投射物撞擊目標后會產生沖擊波，它可以使燃料在短時間內發(fā)生反應，產生比太陽還熱且比鉛還致密的等離子體。

美國聯(lián)邦核聚變系統(tǒng)公司（CFS）：它是一所由前麻省理工學院（MIT）員工創(chuàng)建的私人公司，已籌集了超過1億美元的巨額資金。它致力于開發(fā)托卡馬克系統(tǒng)，但其關鍵創(chuàng)新在于超導磁體方面，如果制造的磁體足夠強大，那么就能縮減托卡馬克的尺寸和成本。

美國三阿爾法技術公司（TAE）：這家總部位于加州的公司在谷歌和其他高科技投資公司的支持下，正試圖利用不同種類的燃料混合物來開發(fā)更小、更經濟的反應堆。他們想使用氫和硼，因為這兩種元素都容易獲得，且沒有放射性。另外，他們采用的是一個圓柱形的碰撞束聚變反應堆（CBFR），該反應堆能夠加熱氫氣形成兩圈等離子體環(huán)狀結構，等離子體環(huán)與中性粒子束結合在一起，從而加熱其自身，并且持續(xù)更久。

美國海軍：未來采用何種方式為艦船提供動力困擾了美國海軍很久，而他們的備選策略之一也是核聚變。據(jù)悉，他們已經提交了“等離子體壓縮核聚變裝置”的專利申請。該專利的思路是借助磁場產生“加速振動或加速自旋”從而使聚變動力反應堆小到能夠攜帶。當然，其可行性受到很多人質疑。

核聚變?yōu)楹芜€沒有奏效？

通用核聚變公司（General Fusion）雄心勃勃地想把核聚變轉換為能源，而他們結合了前沿物理科技與現(xiàn)有技術的方法已經得到了亞馬遜CEO貝佐斯等人的關注和支持。

他們的利器是“磁化標靶核聚變”（MTF）系統(tǒng)。

MTF系統(tǒng)內部含有被注入了高溫等離子體的液態(tài)金屬球以及活塞，活塞的壓縮直接推動系統(tǒng)運轉，這有點像柴油發(fā)動機。

該公司的首席技術官邁克爾?德拉奇（Michael Delage）說：“活塞同時進行壓縮運動，使填充在液態(tài)金屬球內部的燃料發(fā)生反應?！?/p>

“當壓縮至頂點時，燃料產生核聚變反應，它產生的能量傳遞給在其四周包圍著的液態(tài)金屬，有了高溫的液態(tài)金屬，那么發(fā)電就是水到渠成的事情了?！?/p>

通用核聚變公司希望在5年內建立一個可行的模型。

盡管滿懷希望，但目前還沒有人能做出有一個產生可觀能量的核聚變實驗。

大多數(shù)專家都相信這個想法會奏效，但許多人認為要達到令人滿意的效果，就必須擴大系統(tǒng)規(guī)模。

查普曼教授說：“我認為要把核聚變搞成，資源投入必不可少。你可以選擇在企業(yè)里做，也可以舉國家之力去完成，但必要的規(guī)模和資源是實現(xiàn)宏偉藍圖的第一步，巧婦難為無米之炊。”

“如果ITER成功了，那將是核聚變研究里程碑式的一步，會有大量資本涌入那里的?！?/p>

可再生能源面前，核聚變何去何從？

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）2018年的報告稱，到2030年，二氧化碳排放量需要減少45%，從而把全球溫度升高控制在1.5C以下。

要達到這一點，盡快讓能源系統(tǒng)“去碳化”至關重要。英國已承諾到2050年實現(xiàn)凈零碳排放，這將需要大規(guī)模地利用風能和太陽能，在很多人眼里，這才是當前英國能源事業(yè)中更重要的事項，往實驗性的聚變反應堆上扔大把資金應該放到它之后去做。

“可再生能源的成本下降，ITER的成本上升。“現(xiàn)在看來，如果沒有新的突破，核聚變可能得先給太陽能挪地方了，”克里斯?史密斯（Chris Llewellyn Smith ）爵士說道，史密斯是ITER委員會的主席，也是一位受人尊敬的物理學家，他繼續(xù)表示，“但我不認為這意味著我們就得放棄核聚變項目，有些方法是可以降低其成本的，不過我覺得現(xiàn)階段要實現(xiàn)還是比較困難的?！?/p>

而有些人則持不同觀點。

通用核聚變公司的首席執(zhí)行官克里斯?莫里（Chris Mowry）表示：“如果馬來西亞這樣的國家想對非常依賴煤炭的能源系統(tǒng)進行‘去碳化’，那可選策略確實不多，但對于我們來說，核聚變是我們一直在關注并思考怎樣應用的東西，即使是擁有大量可再生能源的加拿大，也永遠無法實現(xiàn)100%的可再生能源。因此，我們需要一個核聚變系統(tǒng)這樣的無碳能源作為將來對已有可再生能源的補充?！?/p>