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参考封面|“将太阳装进瓶子”的梦想能成真吗?

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参考消息网10月28日报道 英国《新科学家》周刊10月22日刊登题为《一大批核聚变初创企业能否带来无限的清洁能源?》的文章,作者是托马斯·卢顿。全文摘编如下:

1951年3月,阿根廷总统胡安·庇隆宣布了巴塔哥尼亚北部卫姆岛上一个秘密项目的结果。他说,该国科学家已经实现核聚变,将对太阳供能的反应进行开发利用,这预示着未来能源能够“像牛奶一样,装在半升的瓶子里”出售。但事态很快变得难看起来,研究人员从卫姆岛归来后报告说,整件事情是一场耗费巨资、令人尴尬的骗局。卫姆岛闹剧是一个极端的例子。不过,人们还是前赴后继地试图将恒星能量转化为用之不竭的清洁能源。

仅在过去一年里,私营核聚变公司获得的投资就超过该行业在历史上吸收的投资总额。核聚变科学家梅勒妮·温德里奇说:“投资者认为,核聚变会成功。”一些公司甚至承诺在十年内建造商业核聚变反应堆。

然而,目前很难判断的是,国家出资的大型核聚变项目最近取得的进展,加上私营企业正在开发的新技术和反应堆设计,是否真构成了一个转折点。当我们对当前的热潮进行抽丝剥茧的审视,能够得出核聚变反应堆在2030年前后向电网供电的结论吗?

实验室里制造“小太阳”

核聚变的物理原理很简单。核裂变是现有核电站所做的事情,通过铀等重原子衰变释放能量。相比之下,核聚变涉及将非常轻的元素(通常是氢)的原子核聚合成更重的原子核。每个新形成的原子核的总质量小于原来那两个形成聚合的原子核的重量之和,缺失的质量释放为巨大的能量。这就是太阳的供能过程。

然而,在地球上制造一个微型太阳绝非易事,因为自我维持的核聚变只有在恒星核心高得离谱的温度和压力下才能发生。即使我们在实验室中成功启动了核聚变,反应也会很快结束。英国曼彻斯特大学的核聚变科学家李·马吉茨说:“这异常困难。我们正在尝试做太阳正在做的事情,不会产生太阳耀斑,而且是在一个小得多的容器里。”

太阳耀斑是等离子体的强烈爆发,以每小时数百万公里的速度不规律地喷射到太空中。它们象征着核聚变物质所具有的极其不稳定的性质。温德里奇说:“等离子体是一种难以捉摸、美丽的物质状态。”

对于在世界各地的实验设施中追求实现核聚变的人来说,这是一个挑战。在许多情况下,这些反应堆使用了甜甜圈的形状,被称为托卡马克装置,利用磁场使等离子体悬浮,以控制等离子体,同时注入能量以启动核聚变反应。只有当等离子体变得足够热,以足够高的密度维持足够长的时间时,反应堆就会进入“点火”状态,这意味着核聚变反应可以自我维持。

在这一方面,目前已经取得进展。今年8月,由罗龙洙(音)领导的韩国首尔大学团队利用韩国超导托卡马克高级研究(KSTAR)装置,在大约6倍于太阳核心温度的情况下实现了30秒的核聚变反应。2021年12月,在英国牛津的欧洲联合环状反应炉(JET),在持续5秒的反应中产生了5900万焦耳的热能,创造了全球核聚变的新纪录。温德里奇说:“如果我们能够维持5秒钟,就意味着有可能维持5小时。”

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核聚变发电仍不成熟

但点火只是开始。这些国家资助的核聚变实验从来没有被设计成发电站。在短暂实现核聚变之后,人们便关闭反应堆,仔细研究结果,并对实验进行改造。美国普林斯顿大学的史蒂夫·考利说:“我们不知道的是,我们用核聚变发电的成本是否会低于消费者愿意支付的电价。”

在过去一年里,美国国家点火设施(NIF)的科学家们一直无法重复实现可持续的核聚变反应。内爆胶囊中的微小瑕疵可能意味着它们的金刚石外壳碎片会散落到等离子体中,对核聚变反应产生干扰。对了,每个胶囊目前的成本是大约100万英镑。

即使采用久经考验的托卡马克装置,实验反应堆也只能短时间运行。欧洲联合环状反应炉的5秒纪录受到反应堆铜线圈的限制,如果受到核聚变过程中释放的中子太长时间的轰击,铜线圈就会过热。试验性托卡马克装置的笨重和复杂性也意味着它们的建造可能就需要几十年的时间——掌握使用还要很多年。

最重要的是,还没有人实现从点火到净发电的飞跃。显然,获得的能量比投入的能量多是建设任何发电站的先决条件。美国国家点火设施是现有纪录的保持者,产生的能量是注入内爆胶囊的70%。国际热核聚变实验反应堆的团队表示,该反应堆释放的能量将是投入能量的十倍——但要等到2035年之后。

欧洲国家核聚变实验室组织EUROfusion的项目经理托尼·多内估计,我们要等到本世纪60年代,核聚变才能产生可观的电力。有鉴于此,你或许会奇怪,为什么一众私营企业会把“十年内实现商业核聚变”看作一个合理目标。

迎来一波投资热潮

可以确定的是,目前迎来了一波核聚变投资热潮。根据美国核聚变产业协会(FIA)的最新调查,其所代表的30余家公司在过去一年里宣布得到了30亿美元的私人融资,外加来自政府的1.17亿美元。

总部设在美国马萨诸塞州的英联邦聚变系统公司(CFS)是其中一家获得众多支持的公司。该公司最近展示了一种由新型高温超导体制成的磁体,功率是当今最好的托卡马克磁体的两倍,由此筹集到18亿美元。这应该意味着人们可以对核聚变等离子体施加更大的压力,防止热量散失,使建造更小的反应堆成为可能。CFS宣称,到2025年,该公司的反应堆发出的能量将超过投入。该公司首席执行官鲍勃·马姆加德表示:“我们目前不是处于发现模式,而是处于执行模式。”

英国的托卡马克能源公司和计划中的由英国政府出资建设的球形托卡马克能源生产(STEP)反应堆,都将使用一种新型的球形托卡马克装置。这使得反应堆可以变得更小,因为对于相同体积,球体表面积比甜甜圈小,所以磁场可以更有效地推动。与CFS一样,托卡马克能源公司表示将在20年代中期启动试点反应堆,并在30年代初启动商业反应堆。

在实现将太阳装进瓶子里的梦想之前,还有很多工作要做。那些私营核聚变公司宣称,它们需要的只是适当的投资,投资规模与任务大小和潜在回报成正比。当然,核聚变从未真正得到政府的适当支持。多内说:“(让政府)跟上节奏并不容易。”

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