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为了实现核反应堆商业化,核聚变能源初创企业的规模越小越好

未知 2019-05-02 09:19

经过几十年的研发,核聚变能源可能即将迎来它的“SpaceX时刻”,几十年来,对核聚变能源的追求一直是由美国政府主导的大型项目推动的,而且,这些项目的价格也非常昂贵。

正如SpaceX和蓝色起源(Blue Origin)等私人航天公司,在美国宇航局技术基础上发展壮大一样,一些核聚变能源初创企业,也是在美国政府资助的核聚变研究基础上发展壮大,其目标是最早在本世纪20年代建成第一座商业化的核聚变发电厂。

总部位于加拿大不列颠哥伦比亚省的通用核聚变公司(General Fusion)的首席执行官克里斯托弗·莫里表示,核聚变将迎来“SpaceX时刻”,“我们现在能够将新技术结合起来,使技术能够制造出一些可行但不实用的东西,使实现核反应堆商业化变成可能。”自2002年成立以来,通用核聚变公司一直致力于研究一种被称为“磁化靶聚变”的技术方法,即将一束磁约束等离子体脉冲注入含有熔融铅和锂涡流的球体中。

美国核聚变工业协会的执行董事安德鲁·霍兰德表示,通用核聚变公司和其他公司的崛起,都是“建立在各国政府对核聚变数十年研究的基础上的”,这家总部位于美国的协会代表着17家核聚变公司,“私营企业所能做的一切都建立在巨人的肩膀上。”

1、恒星的力量

长期以来,核聚变能源——利用地球上恒星的能量——一直被视为解决地球能源问题的终极解决方案,这并不奇怪,核聚变所需的氢燃料基本上可以从海水中无限量地获得,而且,燃烧化石燃料的发电厂向大气中排放二氧化碳和其他温室气体,但核聚变产生的唯一废物是氦气,这是一种具有商业价值的气体。

麻省理工学院等离子体科学与核聚变研究中心主任丹尼斯·怀特表示:“核聚变将是所有能源中对环境影响最小的一种,在人类可预见的未来,这将是可持续的能源。”

怀特和他的同事们已经将他们自己的公司——与总部位于马萨诸塞州剑桥市的联邦核聚变系统——分离出来,该公司的目标是为了实现核反应堆商业化。

核聚变能源初创企业面临的挑战,是找到一种实现持续核聚变反应的方法——这是从未有人做到过的事情,两个由政府主导的研究设施——耗资4.38亿美元、位于英国牛津附近的欧共体联合聚变中心(JET)的设施,仅实现了短暂的核聚变能量爆发,法国图卢兹附近的国际热核聚变实验堆(ITER)计划仍在建设中,目前已耗资140亿美元,该国际科研合作项目以超导托克马克装置实现大规模受控热核聚变反应,俗称“人造太阳”。

但是,通用核聚变公司和其他核聚变公司都认为,核聚变能源初创企业的规模越小越好,虽然欧共体联合聚变中心和国际热核聚变实验堆的规模相当大,但这两家公司的目标是,建设低成本、规模小(或许不超过一个网球场大小),功能相同的设施。

通过新材料、更强大的计算机、3D打印(可以快速地,廉价地制造零件)等新技术,以及优化核反应堆性能的数字控制系统,使缩小规模成为可能——这些在设计大型项目时都无法实现。

2、一个目标,多种方法

核聚变反应发生在原子核融合形成一个更重的原子核时,这一过程将释放出大量的能量,这种反应在太阳和其他恒星内部不断发生,在那里,高温和高压导致氢原子核以一种被称为等离子体的物质的形式存在,在等离子体中原子核融合形成氦原子和其他重元素。

在地球上,这就有点困难了,除了闪电之外,你很难发现等离子体会自然产生,等离子体可以通过在气体上施加电场来产生,直到气体热到可以导电为止,但是一旦产生等离子体就很难再控制等离子体,正如一位研究人员所说,控制核反应堆内的等离子体,就像试图控制香烟的烟圈一样。

核聚变公司正在尝试几种不同的方法来控制等离子体,在麻省理工学院,怀特和他的同事们正在一个名为SPARC的实验设施中,测试他们的新方法,这是一个紧凑型的核聚变项目,旨在产生约100兆瓦的电能(足以为7.5万户家庭供电)。

在SPARC,由一系列电磁铁产生的强大磁场将被用来控制等离子体,这与欧共体联合聚变中心和国际热核聚变实验堆项目中所使用的方法类似,只不过SPARC并没有像国际热核聚变实验堆那样使用房屋体积大小的磁铁,而是利用新技术使人类体积大小的磁铁产生同样强的磁场,关键的技术突破在于新型超导体材料(无内阻导电材料),这种材料甚至可以在强磁场中发挥作用。

怀特表示:“超导体材料是发挥作用的关键。”通用核聚变公司的设备采用了一种不同的策略:该公司不是利用磁场,而是通过机械地压缩等离子体来加热等离子体,在短时间内进行喷射,直到等离子体的温度足够高,就可以发生核聚变反应。

此时,尚不清楚哪种方法可行,但不管怎样,莫里认为核聚变的力量最终将触手可及,他表示:“今天的情况与10年前完全不同。”曾经这是一个科学问题——核聚变反应可能吗?——现在这已经变成工程问题和经济问题。

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