人类史上首次!「人造太阳」实现重大突破,石油太阳能或被彻底淘汰

商业

2022-12-14 11:56

历经几十年,可控核聚变的里程碑终于到来。

史上首次,人类实现了输出能量大于输入能量的可控核聚变。

这一过程被称为「点火」(ignition)。

人类历史上第一次意义重大的能源进步,是对火的控制和利用。

如今我们再次举起火把,让人造太阳不再是天方夜谭。

几十年的里程碑,「人造太阳」的一大步

12 月 13 日,加州的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室宣布,首次成功在核聚变反应中实现「净能量增益」(即产生的能量超过了消耗的能量),在可控核聚变的道路上更进一步。

这些陌生的名词可能让人雾里看花,先让我们了解一下「可控核聚变」的概念。

核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核,并释放出能量的过程。

自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素——氘与氚的聚变,这种反应在太阳上已经持续了 50 亿年,恒星其实就是一个个的天然核聚变装置。

▲ 图片来自:istock

比起核裂变、焚烧化石燃料,核聚变有很多好处:

它不排放碳,不产生核裂变般的核辐射和核废料;由于核聚变需要极高温度,一旦燃料温度下降,聚变反应就会自动中止;一小杯氢燃料,理论上可以为一所房子提供数百年的能源。

所以,聚变能是一种接近无限的、清洁的、安全的新能源。

▲ 聚变是宇宙的能量来源,发生在太阳和恒星的核心.

如果人类能够以可控的方式,复制太阳的聚变反应,那会怎么样?

这种可控核聚变的愿景,被俗称为「人造太阳」。

可控核聚变的终极目标,是让海水中大量存在的氘在高温条件下发生核聚变,为人类提供源源不断的清洁能源,替代化石原料和常规核能,且资源耗损远低于太阳能和风力发电。

▲ 聚变反应.

然而,太阳的核聚变靠自身引力提供的重力场约束,我们在地球上无法模仿,与此同时,太阳上的高温高压为聚变反应创造了必要的条件,地球上的聚变反应需要用更高的温度补偿。

相关研究从上世纪 50 年代就开始了,困扰科学家的地方在于,聚变反应消耗巨大的能量,如何让产生的能量超过消耗的能量。难上加难的是,能量还得持续稳定地输出,不能昙花一现。

12 月 5 日,劳伦斯·利弗莫尔国家实验室,通过「惯性约束聚变」技术,终于实现了「净能量增益」的聚变反应,朝着人造太阳更近了一步。

研究人员将 192 束巨型激光射入一个橡皮擦长度的镀金黑腔,强烈的能量将容器加热到超过 300 万摄氏度,容器内装有胡椒粒大小的燃料颗粒。

▲ 激光的「靶子」很小,但是「靶室」很大.

激光不断反射加热,最终产生 X 射线。X 射线剥离了颗粒的表面,引发了类似火箭的内爆,将温度和压力推向了只有在恒星、巨行星和核爆炸中才能实现的极端,内爆的速度达到每秒 400 公里,导致氘和氚聚变

最终,在持续不到万亿分之一秒的瞬间,激光输入的能量为 2.05 兆焦耳,聚变产生的中子的能量是 3.15 兆焦耳,后者除以前者,能量增益大于 1。

可持续电力,还在遥远的未来

虽然「净能量增益」的聚变反应已经实现,但想在实验室环境之外实践,甚至投入商用,仍然是路漫漫其修远兮。

首先,「净能量增益」只反映了聚变反应本身,为激光供电的 300 兆焦耳并没有被计算进去。从电能到激光的转换效率很低,如果计算输出电能到输入电能之比,能量增益小于 1。

其次,在能源生产所需的规模上重现这种聚变反应,需要大量的资源。

▲ 国家点火装置(NIF),世界上最大和最高能量的激光器.

以及,将产生的能量部署到电网的机器,工程师们还没有开发出来。

所以,核聚变距离商用至少还有十年,也可能是几十年,发电厂更是遥遥无期。

目前,劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的激光大约每天只发射一次,成本又极高,短时间不可能建立起一个可行的发电厂。

在新闻发布会上,劳伦斯·利弗莫尔主任 Kim Budil 表示,发布会代表的是一次聚变点火,但要实现商业核聚变发电,还需要做许多事,其中包括「每分钟产生许多次核聚变点火」。

▲ 核聚变的艺术渲染图.

类似地,核聚变也无法在短时间内投入气候保护。

能源技术专家 Julio Friedmann 指出,现在取得的成果非常重要,如果不能实现输出的能量大于输入的能量,就无法成为能量的来源。但它在未来 20-30 年里都不会对气候减排做出有意义的贡献,这就是点火柴和造燃气轮机的区别。

要将升温限制在 1.5 摄氏度的「安全线」,我们必须在 2050 年前实现净零排放。依靠核聚变摆脱气候危机,是一个遥不可及的梦想。

罗切斯特大学教授、激光聚变专家 Riccardo Betti,将核聚变的这次突破,比作人类第一次知道如何将石油提炼成汽油

「你仍然没有引擎,你仍然没有轮胎,你不能说你有车。」

人类迈出了一大步,但前面可能还有几千几万步。

为了下一代清洁能源,全世界摩拳擦掌

在过去的几十年里,许多国家都在推进可控核聚变。

上文提到的惯性约束,是实现可控核聚变的两大主流方案之一,另一个是磁约束。

事实上,磁约束是目前各国主攻可控核聚变的方向,「托卡马克」装置就是最著名的磁约束核聚变的方法。

托卡马克是一种环形装置,通过约束电磁波驱动,创造氘、氚实现聚变的环境和超高温,并实现人类对聚变反应的控制。

▲《钢铁侠》方舟反应堆就是可控核聚变.

《钢铁侠》的方舟反应堆有些像托卡马克,史塔克工业基地的方舟反应堆、钢铁侠战甲胸口的迷你反应堆,都是「磁约束(核)聚变反应堆」。

尽管可控核聚变技术和托卡马克装置最早起源于国外,但我国已经实现了后来者居上,处于世界前沿。

建成于 2006 年的中国「人造太阳」EAST,全称为「全超导托卡马克核聚变实验装置」,又称「东方超环」,由中国科学院等离子体物理研究所建在安徽合肥。

2021 年底,EAST 实现了 1056 秒的长脉冲高参数等离子体运行,其间电子温度近 7000 万摄氏度,创下当时托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间纪录

▲ EAST.

2020 年 12 月 4 日,由中核集团核工业西南物理研究院自主设计、建造的新一代「人造太阳」装置(HL-2M)建成。

今年 10 月,HL-2M 取得了突破性进展——等离子体电流突破 100 万安培(1 兆安)。

未来,托卡马克聚变堆必须在兆安级电流下稳定运行,所以,这次突破也标志着我国距离聚变点火越来越近。

▲ HL-2M.

「人造太阳」是世界极度关注的大科学问题,在下一代清洁能源面前,国与国是利益相关的合作伙伴关系,最具代表性的是 2006 年启动的国际热核聚变实验堆(ITER)项目。

它是目前全球规模最大、影响最深远的国际大科学工程之一,中国、欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国、印度等成员国参与其中,各国共同造出来的一颗「人造太阳」,是目前世界规模最大的核聚变反应堆,坐落在法国南部卡达拉舍。

ITER 本体的组装工作预计于 2025 年结束,在接下来的几年里,ITER 的部件将从各个成员国运输至卡拉达舍。我国作为平等成员方之一,承担了 ITER 建设阶段 9.09% 的工作,并享有 ITER 100% 的技术成果使用权。

▲ ITER 在 2018 年的建设状况.

煤、石油、天然气有枯竭的可能,并带来环境污染;风能、水能、太阳能等受限于天气或地理条件;核裂变所需要的铀、钚等元素储量有限,还会产生放射性。

相比之下,可控核聚变技术,是被全人类寄予厚望的未来能源方式,有「终极能源」之称,因为它几乎能一劳永逸地解决能源问题。当它真正投入商用,除了气候效益之外,还可以为贫困地区带来廉价电力。

前景是美好的,道路是曲折的,希望在目之所及的未来,能够见证「人造太阳」冉冉升起。

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