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探秘核聚变:是历史性突破,还是猎奇?

「人造太阳」距离商业化还需要多久? 核聚变工业协会 (FIA)最新发布的报告显示,过去一年,核聚变领域的私人投…

「人造太阳」距离商业化还需要多久?

核聚变工业协会 (FIA)最新发布的报告显示,过去一年,核聚变领域的私人投资额已经接近30亿美元,一年的投资额超过了此前的投资总和。

可控核聚变似乎正站在产业化拐点的前夜,中国的两家人造“太阳”公司也在今年拿到了大钱。

清华大学工程物理系核能所聚变团队背景的星环聚能在今年6月拿到了红杉种子基金、顺为资本等的数亿元天使轮融资。而由斯坦福、清华、北大等多名理论物理、等离子体物理和高温超导领域的海外归国专家联合创办的能量奇点则在今年更早的2月拿到了米哈游、蔚来资本、红杉种子基金以及蓝驰创投的近4亿人民币投资。

本月我们又迎来了更加振奋的消息。

12月5日,美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验 (LLNL)的科学家们通过国家点火装置 (NIF),将192道激光束汇聚到一个氢燃料小球上并使其内爆。此时,光能量高达2.05兆焦,而核聚变产生了大约3.15兆焦的能量。

美国能源部在周二宣布了这一突破,并称这是历史上第一次受控聚变实验产生的能量超过了触发它的能量,即首次达到科学能量平衡的可控核聚变实验。

据悉,该实验室采用了一种名为惯性约束聚变的方法,也就是用世界上最大的激光撞击一个微小的氢等离子体颗粒。

 

美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验(LLNL) 国家点火装置(NIF),图源:LAWRENCE LIVERMORE NATIONAL LABORATORY

美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆 (Jennifer Granholm)表示:“简而言之,这是21世纪最令人印象深刻的科学壮举之一,使我们向零碳丰富的核聚变能源为社会提供动力的可能性迈出重要一步。”

什么是核聚变?

核聚变,一直被称作清洁能源的“圣杯”。其实,核聚变就是使两个较轻的原子核结合成一个较重的原子核并释放出巨大能量的过程。在这一过程将释放出大量清洁能源。同时,因由氢原子的碰撞产生无限的电力,不仅是零碳排放,而且不会产生核废料,辐射也极少。

 

在惯性约束聚变方法中,激光束爆炸含有氢同位素的粒子,引发聚变反应。图源:FOCUSED ENERGY

对于核聚变与核裂变的区别,国际天气和气候专家J.马歇尔·谢泼德博士引用了国际原子能机构网站的描述:核裂变将重元素分裂成碎片;而核聚变则将两个氢元素合在一起,形成一个较重的元素。

他认为,这两个过程中,都会释放能量,但核聚变不会产生放射性废料,只会产生惰性氦 (可以用于气球) 。核聚变也不会产生链式反应,而链式反应是核事故的特征,同样也不适用于武器生产。

几十年来,科学家们一直在关注核聚变,但由于触发聚变反应所需的能源密集型条件,科学家们一直难以实现净能量增益。

此次实现净能量增益是核聚变研究的一个巨大的“里程碑”,并“为实际的核聚变能源铺平了道路”,加州大学洛杉矶分校的等离子物理学家特洛伊·卡特在接受《福布斯》采访时表示。

清洁能源的「圣杯」

为什么说核聚变有助于应对气候变化?正如美国能源部所说:这一历史性的首创成就将为支持NNSA(美国国家核安全管理局)的库存管理计划提供前所未有的能力,并将提供对清洁聚变能源前景的宝贵见解,这将改变游戏规则,以实现拜登总统的净核聚变目标——零碳经济。

这一突破将改变科学、技术和工程界的游戏规则。谢泼德博士认为:“虽然我们可能还需要几年到几十年的时间来模仿太阳的能量,才能使其规模足以满足当前的能源需求。但是,这个实验产生的净能量已经能够煮沸几加仑的水。关键是产出的能量比输入的能量要多。请记住,第一架飞机并不是波音梦幻客机,第一部手机也需要小运动量才能举起来。”

谢泼德博士说,设想一个没有碳排放、空气污染或放射性废物的能源经济将是非常诱人和充满希望的。核聚变的燃料供应是氢,而氢是最丰富的元素。

密歇根大学 (University of Michigan)核工程教授托德·艾伦 (Todd Allen)解释说,开发一种可以利用核聚变的设备将为我们提供一种“主要的新型清洁能源”。

不过,他指出,这将需要数年时间,因为有“一些重大挑战”需要解决,比如保持反应持续很长时间,以及以经济可承受的方式获取能源。

曼彻斯特大学核聚变研究人员Aneeqa Khan称赞这是一项“有前途和令人兴奋的结果”,但他告诉《福布斯》,这并没有考虑到运行包含聚变反应的激光所需的能量或过程中的其他低效率或损失,所有这些都必须在设计可行的商业工厂时考虑到。

“我们离商业核聚变还有一段路要走。”Khan说,这意味着核聚变“现在无法帮助我们应对气候危机”。

伦敦帝国理工学院格兰瑟姆气候变化与环境研究所高级研究员Ajay Gambhir同意这一观点,他告诉《福布斯》,从历史上看,发电技术“从实验室规模的突破到商业化需要几十年的时间”,而核聚变的商业盈亏平衡“可能还需要几年的时间”,而分析表明发电应该脱碳。

然而,发展核聚变作为一种能源所涉及的时间尺度太大,无法帮助解决最紧迫的气候问题,其中涉及立即减少碳排放。

Khan在接受《福布斯》采访时表示:“核聚变已经来不及应对气候危机了。“我们已经在全球范围内面临气候变化带来的破坏,看看今年夏天巴基斯坦的洪水,中国和欧洲的干旱就知道了。”

专家警告说,解决这些问题和碳减排不能等待几年或几十年才开始,Gambhir说,多项关于到2050年实现净零的分析表明,全球电力将在2040年左右完全脱碳。Khan强调,长期和短期战略都很重要,并补充说,我们应该利用现有的低碳技术,如核裂变和可再生能源,同时“长期投资于核聚变”。

商业化的不同路径

等离子体物理学家Debra Callahan认为,这是一件大事,值得庆祝,但在某种程度上是意料中的结果。她最近离开了LLNL的核聚变团队,成为初创公司Focused Energy的科学总监,该公司正在致力于这一核聚变方案的商业化。

虽然还未得到证实,但Callahan相信,在未来几年内,他们的试点项目将实现10倍的能量增益。随后,将有第二座发电厂以达到30倍的增益。21世纪30年代末,将有第一台商业化的发电机,有望达到100倍的能量增益,每秒爆破10个燃料舱。

不过,一些竞争对手则有不同意见。

General Fusion是一家总部位于加拿大温哥华的核聚变公司,已获得杰夫·贝佐斯(Jeff Bezos)、Shopify CEO托比亚斯·卢特克 (Tobi Lutke)和淡马锡等公司的3亿美元的投资。

该公司近期也宣布了一项里程碑的突破。其方法被称为“磁化目标聚变”,即将一个氢等离子体球注入指定机器中,并用强大的磁铁固定,采用活塞挤压的方式形成核聚变,而不是激光。

General Fusion正在英国建造的试点工厂,CEO Greg Twinney预计,将在2027年展示其核聚变技术,在21世纪30年代初完成商业落地。

“当我们看到这次的新闻时,我们并不感到惊讶。”他说道。

 

General Fusion正在开发的原型机,图源:GENERAL FUSION

Twinney并没有感受到威胁,他认为,LLNL的方法难以推广,也难以成为一个行之有效的商业核聚变发电厂,而这正是General Fusion从一开始就打算做的事情。

“我们所做的一切都集中在商业发电厂上。”他说,“如果它在科学实验中有效,但不是商业化的,我们对此不感兴趣。”

西雅图的核聚变创业公司Helion的CEO David Kirtley有同样的观点,该公司获得了科技大亨彼得·蒂尔 (Peter Thiel)、山姆·奥特曼 (Sam Altman)、达斯汀·莫斯科维茨 (Dustin Moskovitz)、里德·霍夫曼 (Reid Hoffman)和杰夫·斯科尔 (Jeff Skoll)等人的6亿美元投资。

Kirtley说:“我们很高兴看到他们的实验成果成为一个里程碑。但这是一种研究设备,不是为发电而设计的。”

相比之下,Helion的60英尺长的核聚变设备在两端注入等离子球,在强磁场的控制下,以1亿度的超高温下,将其一起粉碎。在Helion的新系统中,核聚变中释放的能量不断地向外释放,而磁场又向后推进,形成“像活塞一样”的振荡。Kirtley说,这就产生了电流,Helion直接从反应堆中获取电流,而不需要将热转化为电。

目前,Helion正在建造第7个原型机,并正在设计第8个原型机,Kirtley希望,这将是第一个商业化的聚变发电机。如果一切顺利的话,可能在这个十年结束时连接到电网。他说,联邦核监管机构可能准备让他们的核聚变发生器遵守与粒子加速器和医院使用的成像机相同的规则。

同时,还有很多其他公司在追求更成熟的核聚变方法,例如托卡马克核聚变。在其原理中,等离子体球被注入一个形状像空心甜甜圈的反应堆腔室,由强大的磁场控制。

 

托卡马克磁聚变方法包括一个空心甜甜圈形状的反应堆,周围环绕着强大的磁铁。图源:FOCUSED ENERGY

Commonwealth Fusion公司隶属于麻省理工学院,该公司正试图使用超高温超导材料来完善托卡马克核聚变,CEO Bob Mumgaard认为,这将使他们在十年内拥有一个可行的核聚变设备。

总部位于圣地亚哥的General Atomics (以发明“捕食者”无人机而闻名) 也是如此,该公司为美国能源部提供托卡马克核聚变设备已有数十年,目前正在设计一款新的托卡马克核聚变设备。

General Atomics还为世界上最大的核聚变项目——正在法国建设的耗资300亿美元的ITER——建造了可以说是世界上最强大的磁铁,称为中央螺线管。

另一方面,一些原子领域的企业家则认为核裂变就足够了。Bret Kugelmass是Last Energy公司的创始人兼CEO,五年前开始着手设计世界上最高效、最经济的核反应堆。

在确定他的方法之前,现年36岁的他采访了数百位核工业专家,以收集该行业的集体智慧。尽管对核聚变技术的长远未来充满信心,但Kugelmass认为,世界摆脱化石燃料的最佳选择在于以最简单、最便宜、最安全的方式建造模块化的裂变核反应堆。

在休斯顿附近的工厂,Last Energy正在制造其首个小型模块化压水堆,这些反应堆利用现有核供应链采购的现成部件,其技术在过去几十年已经得到完善,在全球300多个核反应堆中使用。

Kugelmass说,Last Energy已经向波兰的客户出售了10台20兆瓦机组,向罗马尼亚出售了2台,也向英国出售了几台。他表示,他的知识产权并不在于经过验证的部件,而是如何将它们组合在一起并保持运行。他的工厂建造的核反应堆将易于运输、安装和并行运行。

到目前为止,他已经从Gigafund公司筹集了2,400万美元,并预计波兰的第一个反应堆将在2025年投入运行。为了确保给这些机器提供资金,Last Energy与客户签订了长期电力购买协议,承诺以低于市场的价格为客户提供数十年的零碳核电。

核聚变的商业化还需要多久?

几十年来,“核聚变只需要几年时间就能实现”,这在该领域一直是一个流传已久的笑话。《福布斯》采访的所有专家都强调了这一发现的重要性,但也强调了实现核聚变的重大技术和科学挑战。

艾伦告诉《福布斯》,在评估核聚变何时准备就绪时,他并不是一个很好的预测者。他说他猜测距离核聚变“还有几十年”。他补充说,大量的私人和公共资金可能会加快这一进程。

卡特在接受《福布斯》采访时也表示,“投资和创新的意愿”比时间更重要,他指出,白宫最近推出了促进核聚变和大量私人投资的举措,一些计划旨在发展规模为10年或更短的试点工厂。■

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作者: 小蜗牛

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