核聚变到底离我们有多远?未来5-10年很关键,中国处于领先

极客网·极客观察6月30日 谈到核聚变,人们总是忍不住嘲笑,说它还需要30年。从原理上讲,核聚变当然是可能的,宇宙的每一颗星星都在核聚变。尽管如此,想在地球上复制核聚变却极其困难。从1950年代开始工程师就在努力,但至今没有成功。多个国家携手合作打造ITER,它已经建了11年,最初的预算是60亿美元,现在已经超支。中国是核聚变技术领先者,也是ITER参与者。

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当然,也有不少人想打败ITER。6月17日,加州一家名叫General Fusion发话说,它要建造一座演示性核聚变反应堆,尺寸约为全尺寸商用反应堆的70%。和ITER一样,General Fusion也希望能在2025年之间让反应堆运行。

General Fusion公司的老板Christofer Mowry说:“核裂变容易启动,难以停止,核聚变完全相反。”为什么核聚变难启动呢?因为核聚变要求苛刻。现在大多的核聚变反应堆想让氘和氚融合。质子带正电荷,它们是排斥的。如果想让两个原子结合就需要克服排斥力,这就需要消耗大量能源。

目前流行的核聚变技术有两种,一种是MCF(磁约束聚变),一种是ICF(惯性约束聚变),General Fusion选择的道路相当于二者之间,工程量小很多。

ITER建了一个托卡马克磁约束聚变反应堆,它用精密控制的高密度磁场加热氢离子,加热到几亿度,原子融合时还要保持等离子体稳定。磁约束聚变的关键是要精准控制磁场,让超高温等离子体保持足够长的时间,从而产生足够的聚变。法国ITER实验反应堆最长只能保持六分半钟,其目标是达到10分钟。

惯性约束聚变反应堆不太一样,它没有使用磁场,而是用到强大激光器。比如加州的国家点火装置(NIF),它用精准控时的脉冲从各个方向轰击燃料芯块,让温度上升,达到与磁约束聚变相似的温度,但同时它还会施加相当于数十亿个大气压的压力压缩它们。因为有强大的压力,核聚变反应更快。研究人员希望在燃料芯块爆裂之前超短的时间内产生并收集足够的能量。不过惯性约束聚变技术也有挑战,精准控制激光、确保燃料芯块均衡压缩相当困难。

General Fusion将自己的方法叫作“Magnetised target fusion”,这种方法可以追溯到1960年代。General Fusion反应堆用强大的电脉冲创造自稳定等离子体,这些等离子体会注入反应堆核心,所以不需要磁约束。研究人员将它比作烟圈,烟是一个环,中间是空的,它可以保持形态,持续几秒,然后消散。

可惜这样的等离子体只能维持大约20毫秒,太短了,我们无法获取足够多的能量。但这样的时间足够压缩了,就像惯性约束聚变反应堆一样压缩,但不需要先进激光,用更普通的工具即可。一旦将等离子体注入General Fusion反应堆,由气体驱动的活塞就会运动,压缩内核,大幅提高融合率。

激光压缩会在几十亿分之一秒内发生,General Fusion反应堆约为几千分之一秒(与内燃机引擎差不多),而且还可以数字电子技术微调。General Fusion反应堆相比MCF、ICF更便宜、更简单,这是它的一大优势。

General Fusion可能会在2030-2035年建造商用反应用堆,它发的电能与其它类型的电力竞争。按照公司的预测,General Fusion核聚变电力的成本有望达到每兆瓦50美元(1兆瓦相当于1000度),这样就与煤电差不多了。可再生能源发电可能更便宜一些,但可再生能源存在间歇性。核裂变电站的发电量无法快速调高调低,核聚变不一样。只需要改变核聚变核心的循环速度,就可以让电力输出量增加或者减少,有时可增加10倍,或者减至十分之一。如此一来,高电价时增加发电量、低电价时减少发电量就会变得很容易。

在加州还有一家名叫TAE Technologies的公司,它创建于1998年,这家公司4月8日宣布融资2.8亿美元,总融资达到11亿美元,它准备建造一座演示性核聚变反应堆。和General Fusion一样,TAE也依赖自稳定等离子体。不同的是TAE想将氢和硼融合发电,不过这一过程需要的温度更高,达到数十亿度,但这种方法在辐射屏蔽方面有优势。

还有很多非政府企业研究核聚变,包括英国First Light Fusion、Tokamak Energy和美国Commonwealth Fusion Systems、Zap Energy。除了ITER,各国政府也有其它项目,比如德国马克思-普朗克等离子体物理研究所就有自己的项目。英国卡勒姆核聚变能源中心也在建造STEP反应堆,目标是想在2040年投入使用,用来证明核聚变可行性。

Fusion Power Associates运营者Stephen Dean认为,建造一座核聚变反应堆,获得足够的能源,这是大家的目标,但大家至今都没有成功,在通往成功的道路上并没有什么本质的障碍;最终起决定作用的是经济,不是物理。假设真能建造出高科技聚变反应堆,它必须与太阳能、风能竞争。化石能源公司也在努力,想找到创新方法从电站收集二氧化碳排放并掩埋。另外,私人资本也对核裂变很感兴趣。在地球越来越温暖的今天,竞争是好事,只是投资者要面临很大的风险。

虽然核聚变技术很难攻克,但我们不应该悲观,未来5-10年相当关键。如果单看专利申请,2019年中国达到高峰,2017年美国达到高峰,但日本德国似乎不够活跃。

最近一段时间申请的专利主要瞄准Super-X偏滤器系统,它是排气系统的一部分,排气系统可以减少粒子离开等离子体时产生的热量和能量负荷。英国的MAST Upgrade项目已经开始试用Super-X偏滤器系统。美国也在建造Sparc,它由MIT和Commonwealth Fusion Systems公司运营,今年开始建设,预计3-4年内完工。

不久前中国核聚变反应堆刷新世界纪录,在1.2亿度高温下运行101秒,在1.6亿度高温下运行20秒。之前的纪录是韩国KSTAR在2020年12月创造的,当时它在1亿度高温下运行20秒。

英国科学家似乎很看好Super-X偏滤器,因为核聚变有一个关键障碍要克服:散热。如果没有先进的散热系统,就必须定期替换材料,从而使得核聚变电站的运行时间大大缩短。Super-X可以帮商用反应堆延长运行时间。

因为大家的信心高涨,创新者开始关注其它领域,比如他们开发可以长时间抵抗极端高温和压力的先进材料,用新方法清理维护反应堆。激光约束技术也是大家关注的重点,不过和托卡马克系统一样,要想生产商用激光约束系统,还要继续创新。简单来说,在商用之前需要开发出足够强大、足够高效的激光器。

核聚变一旦变成现实,必然改变人类文明,希望成功早一点到来,最好由中国人引领。(小刀)


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