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逐梦“人造太阳” 道阻且长

来源:科技日报2021-09-06 10:33

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  ITER托卡马克装置将是世界上最大的核聚变装置,设计为50MW输入加热功率(功率放大比为10)产生500MW聚变功率,有望成为历史上第一个产生净能量的聚变装置。图片来源:ITER组织官网

  据美国趣味科学网站近日报道,美国科学家通过核聚变产生了大量能量,离“聚变点火”这一理想目标更进了一步。聚变点火意味着,创造的能量比消耗的能量更多,为开发核聚变这种新清洁能源带来了希望。

  中美日印等国正携手在法国南部开展“国际热核聚变实验反应堆”(ITER)项目,计划于2025年开始运行。除政府大力投资外,全球还有多家大型科技企业正致力于促进核聚变发电商用。但要想实现这一目标,还有很多问题需要解决。

  “人造太阳”备受关注

  核聚变与目前核电站使用的裂变技术不同。在裂变过程中,重原子核的各条键会被打断,释放出能量,但这一过程如果不能被控制,就会造成严重核事故。

  据《日本经济新闻》网站8月20日报道,在聚变过程中,两个轻原子核会“结合”到一起,创造出一个重原子核。核聚变需利用原子核内有中子的氘(重氢)和氚(超重氢),达到高温时,原子分解成带正电的原子核和负电子,形成高速流动的“等离子体”状态。在磁场下密闭时,这些物质会激烈碰撞融合,产生的巨大能量可以作为热能有效用于发电等。理论上,1克燃料产生的能量相当于8吨石油。

  在包括太阳在内的恒星内部,进行的也是同样的过程,因此在地上重现核聚变反应也叫作“地上的太阳”。

  核聚变拥有多个优势。首先,核聚变在燃料不足或等离子体不稳定时会停止反应,所以其比核裂变更容易控制;其次,虽然核聚变也会产生放射性废弃物,但它产生的废物很少,也不会排放温室气体;再次,核聚变所需的直接燃料(氘和氚)极易获取——两者都可以采用电解水的方式获取,成本优势显著。有鉴于此,一些科学家认为核聚变是一种潜在的未来能源。

  科技企业竞相发力

  核聚变具有这么多优势,吸引了政府和科技企业纷纷投入研究。

  比如,中美日印等国正在法国南部卡达拉舍开展ITER项目,目标是2025年开始运行,总建设费用将达到约250亿美元。

  据美国彭博社7月17日消息,去年12月,美国联邦政府通过一项法案,拨付47亿美元用于核聚变和相关研究,其中包括向ITER支付15亿美元。美国国家科学院今年2月发布了一份报告,建议“能源部和私营部门应在2035—2040年间,在美国建造一个核聚变试验工厂”。

  科技企业也竞相发力。美国微软创始人比尔·盖茨援助的初创企业和美国谷歌正涉足的核聚变发电研究,目标是将其作为脱碳电源实现商用化。麻省理工学院(MIT)正在与下属的联邦融合系统公司开展一个项目,目标是在2025年试制出核聚变反应堆,最终目标是开发一座200兆瓦的发电站。

  咨询机构Crunchbase的数据显示,目前,杰夫·贝佐斯、Cenovus能源公司等个人和机构已累计对通用聚变(General Fusion)公司投入了约1.27亿美元,该公司预计2025年前在英国建造一款测试设备,商业工厂预计在十年内建成。

  与此同时,其他类似于通用聚变的多家核聚变初创公司也已获得来自政府和大型公司的数十亿美元资助,仅以总部位于美国加州的TAE科技公司为例,成立23年来筹集了8.8亿美元。

  而位于日本茨城县的国立量子科学技术研究开发机构,其实验研究反应堆“JT-60SA”已完成主体建设,将于2021年建成并开始实验,预计将在近期的测试中重现核聚变反应所需要的等离子体状态。据悉,目前日本文部省每年度向ITER和“JT-60SA”拨款约2亿美元。

  此外,东京大学还将与英国初创企业托卡马克能源公司进行联合研究,年内将致力于实施将等离子体温度提高到1亿摄氏度的实验。东京大学教授小野靖表示:“初创企业的优势是速战速决,目前,整个项目正在有序推进。”

  不少问题尚待解决

  核聚变发电看起来很有前景,但达到实用水平所需要的费用和时间还无法预测。

  比如在日本,由哪家民营企业来负责商用化尚未确定。此前,快重子增殖反应堆“文殊”一度被视为日本实现资源自给自足的希望而备受期待,投资超过1万亿日元,但最后商用化失败。《日本经济新闻》报道称,如果核聚变发电项目不明确政企双方的职责,就很可能重蹈覆辙。

  此外,虽然辐射水平不高,但核聚变发电仍会产生放射性废弃物。在日本国内,福岛核电站事故发生后,慎重使用核能发电的舆论增强。要实现商用化,除了考虑成本和技术开发之外,还需要得到民众的理解。

  更重要的是,核聚变实施起来相当困难。这个过程会产生令人难以置信的高温,需要大量能量输入——迄今为止能量输入一直超过输出,这是阻挠核聚变成为可行能源的最大“拦路虎”之一。

  美国趣味科学网站在报道中指出,美国国家点火实验装置(NIF)的科学家将包含200束激光的巨型激光阵列集中于一个微小的点,制造出了巨大的能量爆发,是他们过去制造的能量的8倍。虽然这种能量只持续了100亿分之一秒,但它让科学家离“聚变点火”更进了一步。

  而NIF一位负责人杰雷米·奇滕登谨慎地表示:“将这一概念转化为可再生的电力来源,可能是一个漫长的过程,尚需攻克多项重大技术难关。”(记者 刘 霞)

[ 责编:赵宇豪 ]
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