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私营企业入局 核聚变发电升温

06.09.2017
阿比盖尔•贝尔
 
随着创业公司和IT大数据巨头加入战局,核聚变发电的商业化进程很可能获得加速,阿比盖尔·贝尔写道。
 
托卡马克能源公司设计的球形托卡马克反应堆,该公司希望能在2030年前实现并网。图片来源:Tokamak Energy
 
核聚变的历史与宇宙一样古老,可以追溯到最早恒星的核心。太阳的核聚变为我们在地球上的生存提供了阳光。而事实证明,要通过同样的过程得到取之不尽的清洁能源则并非易事。但经过70多年的研究,再加上近来私营公司异军突起,大量参与核聚变领域的研究,似乎核聚变时代不久将会到来。
 
核聚变的漫长发展历程
 
在20世纪50年代,世界各地的研究人员尝试建造仪器,模拟恒星的内部环境。但是完成氢原子聚合成氦原子核并释放能量的过程十分困难。单单是开启该反应就需要巨大的压力和1.5亿度的高温。
 
多年来,前苏联和美国等国家竞相完善各自的设备,重点研究一种被称为托卡马克的装置,它是一个有着“甜甜圈”外形的磁体,利用磁约束将等离子体束缚在装置内。
 
然而,到1985年,欧洲原子能共同体、日本、美国以及前苏联之间达成了一项前所未有的合作项目——国际热核聚变实验堆(ITER)计划。
 
30多年后,这项合作仍在继续。 目前,欧盟、中国、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国等国都参与了该项目。 ITER计划在法国南部建造一台托卡马克装置。 该项目进度已经落后计划十余年,其成本也在不断飙升。
 
不过项目也取得了一些进展。 1997年,在牛津郡卡勒姆聚变能源研究中心进行的欧洲联合环实验(JET)中,科学家用一台建设在当地的托卡马克装置输出了1.6万千瓦的聚变能。由于触发反应需要2.5万千瓦的输入功率,此次实验并不算成功,但却向目标迈进了一大步。
 
应用聚变系统公司是一家总部位于伦敦、致力于打造核聚变反应堆的私营企业。其首席执行官兼联合创始人理查德·迪南说:“取得这一伟大成就之后,七国政府花费了10年的时间才定下了下一个ITER项目的地点。在政治上白白浪费了十年时间。”
 
私营企业能否分一杯羹?
 
面对如此缓慢的进展,私营企业如今开始站出来迎接挑战。 英国原子能管理局局长伊恩·查普曼教授表示:“私营部门越来越多地参与核聚变的研究反映了这一市场巨大的风险回报——这是一种资源丰富、环保并且安全的新型发电方式。”
 
如此看来,世界各国公司投身该领域的竞争就不足为奇了。2011年,亚马逊总裁杰夫·贝佐斯为加拿大的通用聚变公司提供了资金支持,这是一家正在尝试建造世界上第一个核聚变发电厂的初创企业。 今年5月,该公司与微软合作,利用其计算能力来分析通用聚变公司得到的大量实验结果。 大数据分析是私营公司得以参与聚变研究的原因之一。
 
今年7月份,谷歌宣布对核聚变研究的兴趣。 作为搜索引擎巨头,谷歌一直与微软联合创始人保罗·艾伦支持的私营企业三阿尔法能源公司合作,共同致力于研发一套可以加快等离子体实验的计算机算法。
 
美国航空航天公司洛克希德·马丁公司的臭鼬工厂项目也在2014年宣布,它正在研发紧凑型聚变反应堆(CFR),体积将是之前概念反应堆的十分之一。
 
通用原子能公司总部位于加利福尼亚州的圣地亚哥,是一家专门从事核物理学研究的国防设备提供商。据说该公司参与了中国核聚变工程测试反应堆(CFETR)项目。该项目有望成为首个核聚变发电厂。
 
技术进步也降低了私营企业的准入门槛。 诸如3D打印等快速成型技术使得像应用聚变系统这样的公司得以制造小型、紧凑的聚变反应堆,并加快了设计迭代的速度。
 
查普曼教授称,核聚变仍是全球性的挑战,参与ITER项目的国家还是走在前面的。“欧盟拥有世界上最大的设备JET,并拥有实力最强和最协调的核聚变研究项目,并为本世纪中叶实现发电目标提供了详细的路线图。”
 
然而,中国目前仍然保持着很多纪录。 今年7月,由中国科学院承担的先进实验超导托卡马克(EAST)实现了电子温度达5000万开氏度、持续时间达101秒的稳态长脉冲高约束等离子体运行,创造了新的世界纪录。
 
私营企业要出头,就看他们能否以更快的速度实现那个目标。当然,激烈的竞争也会刺激他们朝着这个方向努力。
 
法国南部正在建设的ITER项目。 在政治上浪费掉的十年时间以及成本的不断上涨,更为灵活的私营企业正在寻求小型设计来实现飞跃(图片:ITER)
 
市场竞争加剧
 
牛津郡的托卡马克能源公司,创建于2009年,是世界领先的私营聚变能源公司之一。 今年4月,该公司最新的ST40 托卡马克设备生成了第一批等离子体。
 
公司首席执行官大卫·金厄姆博士说:“我们的目标是在今年年底达到1500万度的等离子体温度,到2018年达到1亿度,并在2019年接近达到聚变能增益条件。”
 
“我们计划在2025年之前实现试点工厂的首次发电,并在2030年前实现并网,随着投资的快速增长,该计划进程可能会加快。”
 
而应用聚变系统公司则预计在2022年之前建成两座小型环形托卡马克。“一座作为发电机,另一座则作为原型样机,”该公司首席执行官迪南说。
 
核聚变研究领域的公共资助项目主要有两大类, 一是磁性聚合装置,如JET和ITER。 它们利用强大的磁场束缚住聚变产生的热能。 此类研究包括一些具有潜力的设备,托卡马克就是其中之一。
 
第二类研究方法称为“惯性聚变”,它利用强力的激光或X射线源引爆小颗粒燃料。 查普曼说:“人们积极探索以上两种途径,没有理由这两种方法都不能走向商业化。”
 
聚变发电站的小型化趋势
 
经过数十年的研究,托卡马克脱颖而出成为“赢家”, 但是仍有一些技术难题需要攻克。 查普曼说:“按照目前的托卡马克设计和技术,只有规模相对较大的聚变发电站才有经济上的可行性,尽管所谓的球面托卡马克设计有可能会降低未来发电厂的规模和成本。”
 
但并非所有人都认为规模越大性能就越好。 技术的进步意味着我们不必通过建造大规模的设备达到我们想要的结果。 “如果你在1997年问科学家如何确保托卡马克成功运行,他们会告诉你,它的规模必须要大,”迪南说。 “此后,超级计算机的成本大跌,我们意识到小型且有效的反应堆技术的关键是要充分了解等离子体的性能。”
 
从核聚变未来的发展看,较小规模的设备可能有一个好处,就是它们执行速度较快。“像ITER这样的大型项目适合国际合作和科学研究,但是这种大规模项目的进展缓慢,” 金厄姆表示。 “聚变能源未来的规模将会更小,虽然可能不会像卡车尺寸那么小,但体量上也将是达到ITER规模的30分之一。”
 
未来的聚变反应堆可能会大小不一、形状各异。 托卡马克能源公司正着力研究托卡马克的变体,它结合了普林斯顿大学团队设计的球形托卡马克与麻省理工学院的高温超导体磁体的优点。 但这不是唯一的发展方向。 “未来肯定不只有一个赢家,” 金厄姆说。
 
有一些反应堆的规模要小很多。“我们在应用聚变系统公司建造的两座反应堆的主半径为1.1米,单个成本为4000万英镑(合5200万美元),”迪南说。 “这与造价高达120亿英镑(150亿美元)的 “巨兽”ITER形成了对比。
 
无论其形状或大小如何,人类还不打算放弃核聚变的梦想。这个目标实在太诱人。 有了聚变能,一个人冲一次澡的水量就可以提供一年所需的能源。
 
“核聚变能一旦实现商业化,将对电力市场产生变革性的影响。” 查普曼说,“无论是公共资金资助还是私人投资的研究项目都认识到该技术的潜力,值得进一步研究。”
 
 
翻译:于柏慧​
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