ITER托卡馬克裝置將是世界上最大的核聚變裝置,設(shè)計(jì)為50MW輸入加熱功率(功率放大比為10)產(chǎn)生500MW聚變功率,有望成為歷史上第一個產(chǎn)生凈能量的聚變裝置。圖片來源:ITER組織官網(wǎng)
科技日報記者?劉霞
????據(jù)美國趣味科學(xué)網(wǎng)站近日報道,美國科學(xué)家通過核聚變產(chǎn)生了大量能量,離“聚變點(diǎn)火”這一理想目標(biāo)更進(jìn)了一步。聚變點(diǎn)火意味著,創(chuàng)造的能量比消耗的能量更多,為開發(fā)核聚變這種新清潔能源帶來了希望。
中美日印等國正攜手在法國南部開展“國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆”(ITER)項(xiàng)目,計(jì)劃于2025年開始運(yùn)行。除政府大力投資外,全球還有多家大型科技企業(yè)正致力于促進(jìn)核聚變發(fā)電商用。但要想實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),還有很多問題需要解決。
“人造太陽”備受關(guān)注
核聚變與目前核電站使用的裂變技術(shù)不同。在裂變過程中,重原子核的各條鍵會被打斷,釋放出能量,但這一過程如果不能被控制,就會造成嚴(yán)重核事故。
據(jù)《日本經(jīng)濟(jì)新聞》網(wǎng)站8月20日報道,在聚變過程中,兩個輕原子核會“結(jié)合”到一起,創(chuàng)造出一個重原子核。核聚變需利用原子核內(nèi)有中子的氘(重氫)和氚(超重氫),達(dá)到高溫時,原子分解成帶正電的原子核和負(fù)電子,形成高速流動的“等離子體”狀態(tài)。在磁場下密閉時,這些物質(zhì)會激烈碰撞融合,產(chǎn)生的巨大能量可以作為熱能有效用于發(fā)電等。理論上,1克燃料產(chǎn)生的能量相當(dāng)于8噸石油。
在包括太陽在內(nèi)的恒星內(nèi)部,進(jìn)行的也是同樣的過程,因此在地上重現(xiàn)核聚變反應(yīng)也叫作“地上的太陽”。
核聚變擁有多個優(yōu)勢。首先,核聚變在燃料不足或等離子體不穩(wěn)定時會停止反應(yīng),所以其比核裂變更容易控制;其次,雖然核聚變也會產(chǎn)生放射性廢棄物,但它產(chǎn)生的廢物很少,也不會排放溫室氣體;再次,核聚變所需的直接燃料(氘和氚)極易獲取——兩者都可以采用電解水的方式獲取,成本優(yōu)勢顯著。有鑒于此,一些科學(xué)家認(rèn)為核聚變是一種潛在的未來能源。
科技企業(yè)競相發(fā)力
核聚變具有這么多優(yōu)勢,吸引了政府和科技企業(yè)紛紛投入研究。
比如,中美日印等國正在法國南部卡達(dá)拉舍開展ITER項(xiàng)目,目標(biāo)是2025年開始運(yùn)行,總建設(shè)費(fèi)用將達(dá)到約250億美元。
據(jù)美國彭博社7月17日消息,?去年12月,美國聯(lián)邦政府通過一項(xiàng)法案,撥付47億美元用于核聚變和相關(guān)研究,其中包括向ITER支付15億美元。美國國家科學(xué)院今年2月發(fā)布了一份報告,建議“能源部和私營部門應(yīng)在2035—2040年間,在美國建造一個核聚變試驗(yàn)工廠”。
科技企業(yè)也競相發(fā)力。美國微軟創(chuàng)始人比爾·蓋茨援助的初創(chuàng)企業(yè)和美國谷歌正涉足的核聚變發(fā)電研究,目標(biāo)是將其作為脫碳電源實(shí)現(xiàn)商用化。麻省理工學(xué)院(MIT)正在與下屬的聯(lián)邦融合系統(tǒng)公司開展一個項(xiàng)目,目標(biāo)是在2025年試制出核聚變反應(yīng)堆,最終目標(biāo)是開發(fā)一座200兆瓦的發(fā)電站。
咨詢機(jī)構(gòu)Crunchbase的數(shù)據(jù)顯示,目前,杰夫·貝佐斯、Cenovus能源公司等個人和機(jī)構(gòu)已累計(jì)對通用聚變(General?Fusion)公司投入了約1.27億美元,該公司預(yù)計(jì)2025年前在英國建造一款測試設(shè)備,商業(yè)工廠預(yù)計(jì)在十年內(nèi)建成。
與此同時,其他類似于通用聚變的多家核聚變初創(chuàng)公司也已獲得來自政府和大型公司的數(shù)十億美元資助,僅以總部位于美國加州的TAE科技公司為例,成立23年來籌集了8.8億美元。
而位于日本茨城縣的國立量子科學(xué)技術(shù)研究開發(fā)機(jī)構(gòu),其實(shí)驗(yàn)研究反應(yīng)堆“JT-60SA”已完成主體建設(shè),將于2021年建成并開始實(shí)驗(yàn),預(yù)計(jì)將在近期的測試中重現(xiàn)核聚變反應(yīng)所需要的等離子體狀態(tài)。據(jù)悉,目前日本文部省每年度向ITER和“JT-60SA”撥款約2億美元。
此外,東京大學(xué)還將與英國初創(chuàng)企業(yè)托卡馬克能源公司進(jìn)行聯(lián)合研究,年內(nèi)將致力于實(shí)施將等離子體溫度提高到1億攝氏度的實(shí)驗(yàn)。東京大學(xué)教授小野靖表示:“初創(chuàng)企業(yè)的優(yōu)勢是速戰(zhàn)速決,目前,整個項(xiàng)目正在有序推進(jìn)?!?/p>
不少問題尚待解決
核聚變發(fā)電看起來很有前景,但達(dá)到實(shí)用水平所需要的費(fèi)用和時間還無法預(yù)測。
比如在日本,由哪家民營企業(yè)來負(fù)責(zé)商用化尚未確定。此前,快重子增殖反應(yīng)堆“文殊”一度被視為日本實(shí)現(xiàn)資源自給自足的希望而備受期待,投資超過1萬億日元,但最后商用化失敗?!度毡窘?jīng)濟(jì)新聞》報道稱,如果核聚變發(fā)電項(xiàng)目不明確政企雙方的職責(zé),就很可能重蹈覆轍。
此外,雖然輻射水平不高,但核聚變發(fā)電仍會產(chǎn)生放射性廢棄物。在日本國內(nèi),福島核電站事故發(fā)生后,慎重使用核能發(fā)電的輿論增強(qiáng)。要實(shí)現(xiàn)商用化,除了考慮成本和技術(shù)開發(fā)之外,還需要得到民眾的理解。
更重要的是,核聚變實(shí)施起來相當(dāng)困難。這個過程會產(chǎn)生令人難以置信的高溫,需要大量能量輸入——迄今為止能量輸入一直超過輸出,這是阻撓核聚變成為可行能源的最大“攔路虎”之一。
美國趣味科學(xué)網(wǎng)站在報道中指出,美國國家點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)裝置(NIF)的科學(xué)家將包含200束激光的巨型激光陣列集中于一個微小的點(diǎn),制造出了巨大的能量爆發(fā),是他們過去制造的能量的8倍。雖然這種能量只持續(xù)了100億分之一秒,但它讓科學(xué)家離“聚變點(diǎn)火”更進(jìn)了一步。
而NIF一位負(fù)責(zé)人杰雷米·奇滕登謹(jǐn)慎地表示:“將這一概念轉(zhuǎn)化為可再生的電力來源,可能是一個漫長的過程,尚需攻克多項(xiàng)重大技術(shù)難關(guān)。”