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kiếm tiền online uy tín:可控核聚变取得新成果,但离应用永远“还要50年”?

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核聚变是两个轻原子核结合成一个较重的原子核并释放出巨大能量的过程。


核聚变反应发生在一种被称为等离子体的物质状态中——一种由正离子和自由移动的电子组成的高温带电气体,具有不同于固体、液体或气体的独特性质。


太阳和其他所有的恒星都是由这种反应所驱动的。为了在太阳中实现聚变,原子核需要在大约1000万摄氏度的极高温度下相互碰撞。高温为它们提供了足够的能量,以克服相互之间的电排斥力。一旦原子核进入彼此非常接近的范围,它们之间的核吸引力将超过电排斥力,从而使它们能够实现聚变。要做到这一点,众多原子核必须被约束在一个小空间内,以增加碰撞的机会。在太阳中,其巨大的引力所产生的极端压力为核聚变创造了条件。


01


为什么要研究核聚变能源?


自从20世纪30年代我们理解核聚变理论以来,科学家,以及越来越多的工程师,一直在寻求重新创造和利用核聚变的机会。这是因为如果核聚变能够以工业规模在地球上复制,它可以提供几乎无限的清洁、安全和负担得起的能源,以满足世界的需求。


核聚变每公斤燃料可以产生比核裂变(用于核电厂)多四倍的能量,比燃烧石油或煤炭多近四百万倍的能量。


大多数正在开发的聚变反应堆概念将使用氘和氚的混合物——含有额外中子的氢原子。理论上,只要有几克这些反应物,就可以产生一万亿焦耳的能量,这大约是一个发达国家里一个人60年所需的能量。



聚变燃料很丰富,也很容易获得:氘可以从海水中廉价提取,而氚则可以利用聚变产生的中子与丰富的天然锂反应产生。这些燃料供应可持续数百万年之久。未来的聚变反应堆在本质上也是安全的,不会产生高放射性、长衰变期的核废物。此外,由于核聚变过程难以启动和维持,因此不存在失控反应和熔毁的风险;核聚变只能在严格的操作条件下发生,超出这个条件(例如在事故或系统故障的情况下),等离子体将自然终止,很快失去其能量,并在对反应堆造成任何持续损害之前熄灭。


重要的是,核聚变,就像裂变一样,不会向大气层排放二氧化碳或其他温室气体,因此,从本世纪下半叶起,它可能成为低碳电力的长期来源。


02


聚变商业化


虽然尚未成为现实,但如果看聚变技术的私人投资水平情况,商业聚变的实现正越来越接近现实。


根据聚变行业协会(Fusion Industry Association)的《2022年全球聚变行业报告》,私人聚变公司的投资比去年翻了一番多。


在同一时期,成立了八家新的聚变方面的公司,总数超过30家。


作为投资者对聚变行业信心不断增强的一个迹象,六家公司目前已各自筹集了超过2亿美元的资金。


据报道,去年的亮点包括18亿美元用于联邦聚变系统(Commonwealth Fusion Systems),5亿美元用于太阳神能源(Helion Energy)。


FIA表示,总体而言,私人聚变公司已宣布近50亿美元的集体融资,比2021的数字增加了约140%。


在美国,聚变的私人投资现在首次超过了国家支持的资金。尽管全球国家的资金仍高于私营部门,但国际热核聚变实验堆(ITER)项目仍然是国际努力的重点。


03


可控核聚变是怎么一回事?


核聚变过程会以极高的效率释放巨大的能量,而且污染小,效率高,一旦做到“可控”,能创造巨大的能源价值。


但注意,可控核聚变的难度,并非难在核聚变,而是“可控”上。


为了达到“可控”,需要约束超高温或高压条件下等离子体状态的物质,目前一般会采用惯性约束和磁场约束这两种方法。


现在的主流磁约束聚变装置就是托卡马克,它的性能好、研究也比较充分。星环聚能就采用的是球形托卡马克。


再进一步说,如果能商用在聚变能电站、大中型船舶、海上作业平台等,人类似乎能从此获得取之不竭的清洁能源。


所以,可控核聚变的研究征程已经很长了,不少都正在推进。


比如集多国之力的“国际热核聚变实验堆(ITER)计划”,早在37年前(1985年)就提出了。


ITER计划要首次建造可实现大规模聚变反应的聚变实验堆,其装置也是一个托卡马克。


ITER组装现场(图源ITER官网)


1988年,实验堆开始研究设计,历时13年、耗资15亿美元,最终于2001年完成。2006年,中国也正式加入该计划。至今35个参与国已花费超240亿美元,ITER计划仍未实现。


04


ITER近况



也许是世界上最著名的聚变项目,ITER的第一个等离子体,在全球新冠肺炎大流行的影响和一些出现的技术困难之后,现在将再次推迟。


虽然修订后的时间表尚未确定,但根据一些估计,产生第一个等离子体现在预计要到2027年。

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目前的时间表预计2025年产生第一个等离子体,2035年开始使用氘-氚燃料。


新的时间表将在前总干事伯纳德·比戈(Bernard Bigot)去世后任命新总干事后最终确定。


理事会已经启动了一个挑选继任总干事的进程,新的时间表预计将于2023年春获得ITER理事会的批准。


尽管拖延,托卡马克聚变装置(在法国南部的圣保罗-莱斯杜兰斯建造)的完工进度仍在继续。


5月,等离子体室的九个子部分中的第一个,被提升到机井中。该段重约1,000吨,形成真空容器部分的一个40°弧。


它配备有热屏蔽和两个包含超导电磁体的环形场线圈。其他八个类似的组件将形成完整的腔室。


完成后,真空容器的直径将为19.4米,高度将为11.4米。它的内部容积为1400m3,可容纳840m3的等离子体,比目前最大在运托卡马克多10倍。


ITER最近实现了一个建设里程碑,将真空室的第一部分提升到位(图源:ITER)


最近,日本三菱重工株式会社(MHI)于7月交付了测试设备,以确认并证明ITER测试包层模块(TBM)的安全性。


包层是构成聚变反应堆内壁的部件之一,是一个关键部件,可提取反应堆产生的热量,并提供用作燃料的氚的自我维持繁殖。


为了证明聚变技术的可行性,ITER的建设于2010年首次开始,最初的第一个等离子体计划于2018年完成。


ITER预计不会发电,而这一由35个国家组成的独特国际项目,在开发过程中普遍预计会遇到延误。


尽管如此,ITER已经完成了75%以上,在过去的两年里,组件继续到达现场。每个成员都完成了在材料科学、电磁学、低温学和机器人等不同领域需要工程创新的一流组件。


05


离应用永远“还要50年”?


ITER 项目波折几十年,让许多对核聚变抱有希望的人感到疲惫,“距离可控核聚变永远还有50 年” 的调侃诞生,然而近两年,国外依然掀起一波可控核聚变投资热。


一方面是国家政策上。不仅原本打算放弃核能的韩国和德国,开始修订“放弃核能”的计划,欧美也开始加大对核能相关项目的扶持。


另一方面是科技巨头和个人投资者的入局。据Fastcompany介绍,微软的比尔·盖茨和亚马逊的贝佐斯,已经在核聚变相关的公司上砸了接近34亿美元。


当然,与国内基本专注于托卡马克装置路线不同的是,目前国外的30多家可控核聚变商业公司中,已经出现了磁性约束和惯性约束两种路线。


其中磁性约束的代表,则要属由MIT创立、获得了谷歌和比尔盖茨投资的美国初创公司CFS。


嗯,就是声称要在2025年实现可控核聚变商业发电(供热)的那家公司,比ITER竣工甚至还早一年。


这家公司的计划也是做托卡马克装置,目前最大的进展是研发出了一种能实现高达20T(特斯拉)磁场的高温超导磁体。


注意,即使是ITER使用的超导磁体,磁场强度最高也只能达到5.3T。如果CFS真的实现了高达20T的强磁场,意味着能大大缩小托卡马克的体积。


惯性约束的代表,则是一家位于英国牛津的核聚变技术First Light Fusion,他们打造的可控核聚变装置叫做“Big Friendly Gun”。


这个装置长约22米,重25000公斤,能以超音速近19.11倍的飞行速度发射100克的射弹,通过射弹高速压缩靶丸内部燃料,就能达到聚变所需的压力和温度。



值得一提的是,这家公司画出的大饼更诱人——通过这个装置,能让一度的电价格低于0.05美元(约3毛钱)。


除了商用公司,也有其他公司在“顺道”进行这方面的研究。


例如今年年初,AI公司DeepMind就在Nature上发表了一项研究,宣称成功实现了用AI来动态控制托卡马克的磁场,从而精准控制内部的等离子体。


国外连续两轮大额融资,彻底点燃核聚变创业热情,过去几个月出现的创业公司,比之前任何一个年份都多。国内也没落后,据了解,能量奇点、星环聚能的创始团队在 2020 年甚至更早就讨论过创业想法,有的成员此前也接触过投资人,但直到美国的同行们宣布拿到巨额融资,他们才踏出关键一步,写商业计划书,推进融资。


核聚变未来市场空间巨大,可风险极高。尽管如此,对于投资了上亿元的公司,他们也没有给出什么营收、盈利期待。


投身于核聚变风投的创业者和投资人相信,美国民营航天的今天,就是可控核聚变的明天,行业里一定会出现 SpaceX。


不过 SpaceX 2002 年成立的时候,距离加加林进入太空40 多年、阿姆斯特朗登月 30 多年。SpaceX 的大部分进展是以更低成本解决 NASA 解决过的问题。而核聚变是大国政府努力半个多世纪也没能突破的难题。


科学家将核聚变称作人类在地球上点燃的“一把篝火”,只不过它永远不会熄灭,才意味着人类真正取得了成功,它也可以为人类源源不断地提供清洁能源,不会对环境造成任何的污染和影响。


或许再多一些时间,这些问题就都可以解决了。还要多久呢?朋友们,你们怎么看?你们觉得再过50年,人类真的能实现可控核聚变了吗?


来源:嘿嘿能源heypower,IAEA网站,核能关注

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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