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核聚变的商业化比想象的要快

2024-03-28 16:51     来源: 可控核聚变     核聚变
商业核聚变在不到十年的时间里从科幻小说变成了科学事实。谁也没有意料到高温超导、激光和先进材料的巨大飞跃突然加速了可控核聚变的商业化进程。近年来,全球各地的可控核聚变的项目都有了突破性进展。

英国第一光聚变公司上周宣布,它打破了美国桑迪亚国家实验室的压力世界纪录,将压力极限提升至 1.85 TPa,是地核压力的五倍。

几天前,一系列同行评审论文证实,波士顿附近的Commonwealth Fusion Systems 打破了使用最新高温超导技术制造磁场强度为 20 特斯拉的大型磁铁的世界纪录。这超过了产生高于1.0 的净能量或“Q 因子”所需的阈值。

麻省理工学院(MIT) 等离子体元老丹尼斯·怀特(Dennis Whyte) 教授表示:“一夜之间,聚变反应堆的每瓦成本降低了近 40 倍。” 并在三月版的《IEEE 应用超导学报》发表了六篇论文,证实了该技术的成果。

这些磁铁通过挤压托卡马克装置内的超热等离子体来融合氢同位素。为了复制太阳聚变,温度必须比太阳表面高十倍,因为地球的磁场要弱得多。

“旧”低温磁体由铌合金制成,在 -270°C 下工作温度接近绝对零。新型磁铁采用稀土钡铜氧化物 (ReBCO) 并采用全新设计,可将温度从 4 开尔文提升至 20 开尔文。它们将超导性与极端磁力结合起来。这利用了融合能力的“多个数量级的增长”。

Commonwealth 的首席执行官 Bob Mumgaard 指出,这项改变游戏规则的技术在10 年前几乎不存在,五年前仍处于起步阶段。“突破在于超导体。更强的磁铁意味着我们可以建造一个小 40 倍的工厂,”他说。

核聚变有个50年才能实现商业化定律,而且永远都会如此,但目前看来这项规律也要被打破了。国际原子能机构伦敦论坛上的一项民意调查发现,65% 的内部人士认为,到 2035 年,核聚变将以可行的成本为电网发电,到 2040 年,这一比例为 90%。

总部位于华盛顿的聚变工业协会表示,其四名成员认为他们可以在 2030 年之前做到这一点。如果该行业接近正确,我们需要重新考虑我们所有的能源假设。英国计划中的天然气工厂几乎在建成之前就已经过时了。

去年12月底,由25家央企、科研院所、高校等组成的中国可控核聚变创新联合体正式宣布成立。去年以来,国务院国资委启动了实施未来产业启航行动,明确可控核聚变领域为未来能源的唯一方向。2023年,我国在该领域也取得了显著进展:全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)已经在多个实验中取得了重要成果;核聚变大科学装置“中国环流三号”面向全球开放,邀请世界各国科学家来中国集智攻关。

由美国、日本、欧洲、中国和俄罗斯组成的联合体、世界上长期运行、耗资 200 亿美元的 ITER 研究项目在这场竞赛中看起来更像是搁浅的鲸鱼。几十年来,它收集了有价值的科学成果,但一直受到地缘政治和延误的困扰,并且产生的能量从未超过其投入的能量,这与使用竞争对手的惯性聚变技术的美国劳伦斯·利弗莫尔实验室不同。

接力棒已匆匆交到科技巨头手中。Commonwealth Fusion 是麻省理工学院等离子体科学与融合中心的一个创业项目,得到了比尔·盖茨、杰夫·贝索斯和理查德·布兰森爵士的支持。他们的目标是,到2025年实现首次商业化规模的核聚变反应,并在 2020 年代末达到稳定的 Q 因子 10,这是商业起飞的能源目标。

Mumgaard 博士表示,美国政府希望通过规模化将成本控制在 60-80 兆瓦时,从而降低大多数地方间歇性可再生能源配对天然气调峰发电厂或储能系统的 24/7 成本。“可能还会更低。因为不使用铀。不存在崩溃的风险,”他说。

位于牛津的Tokamak Energy是新型 ReBCO 磁体技术的先驱,可能拥有无价的知识产权。英国原子能机构正在诺丁汉郡一座旧燃煤电厂的旧址上建造自己的托卡马克装置,其球形设计以前从未尝试过,但有望大幅削减成本。

英格兰有三家世界一流的聚变初创企业,涵盖两项关键的核聚变技术。First Light 在惰性核聚变领域领先。另外两家正在发展磁约束核聚变技术:Tokamak Energy 和加拿大的 General Fusion。General Fusion 正在将其示范工厂设立在卡勒姆校园,这对于 Fusion Cluster 来说是一大胜利。它们中的任何一家都有机会大获成功。

核聚变的吸引力如今已被广泛理解。它产生的能量比化石能源高出四百万倍,且不会排放二氧化碳或甲烷。几乎不会产生长期废物,其主要副产品是惰性氦。

核聚变几乎不占用土地,用水很少,几乎可以做到隐形。与今天的裂变不同,它产生工业级高温热量,有助于减少玻璃、水泥、钢铁、氨、氢等的碳排放。如果需要,它可以持续运行,或者如果不需要,也可以随时调度。

燃料在数千年内几乎是无限的,并且可以从任何地方获取:从海水中提取氘,通过与少量锂进行核反应来获得氚。不存在失控链反应的风险。它不使用裂变材料,也无法用于武器。

波兰-俄罗斯托卡马克之父列夫·阿尔齐莫维奇曾被问及核聚变何时成熟。他回答道:“当人类真正需要它时。” 现在看来,情况正是如此。


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