核聚變發電,民間有高手
2018年05月17日01:28

原標題:核聚變發電,民間有高手

洛克希德・馬丁公司正在研發的小型核聚變裝置。
三阿爾法能源公司的小型核聚變裝置

很多人認為大型核聚變裝置的建造時間長,造價貴,商業化進程不如人意。各國政府主導的核聚變進程讓民間高手看不慣了,等不住了,這幾年,紛紛踏入核反應圈。

本報記者?高?博

近日在河北廊坊舉行的一次核聚變技術研討會上,國內知名能源企業新奧集團宣佈,未來十年將建一座小型核聚變實驗裝置。這是首個宣佈研發聚變能源的中國民營企業。

和平利用核聚變被稱作“能源的聖盃”。近幾年,全世界的民營企業紛紛投建核聚變實驗裝置,或將有突破帶給我們驚喜。與官方的大裝置不同,它們實驗的是小型核聚變。

各出奇招,都為了小

一提到核聚變發電,關鍵詞是“托卡馬克”裝置――用磁場籠子關鎖熾熱的核燃料,最著名的實驗裝置都是這類,包括世界最大聚變反應堆――歐洲聯合環形加速器(JET)、先進實驗超導托卡馬克(EAST)和國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃;除此以外,“慣性聚變”也時常聽說,即用強力激光或X射線聚焦,引爆小顆粒燃料,最著名的是美國國家點火裝置(NIF)。

小型核聚變技術,顧名思義,裝置更小。它們大多屬於托卡馬克,但體量上是ITER規模的幾十分之一,建設起來快得多,技術路線也是百花齊放。

三阿爾法能源公司從粒子加速器技術獲得靈感,將硼元素加入氫燃料中,吸收了核聚變放出的中子――這些中子會損害設備,使其帶上放射性。其C-2U設備將一個氫氣球體加熱到了1000萬攝氏度,保持了5毫秒。

而通用聚變公司用活塞震盪氫燃料,促使聚變。上世紀70年代美國海軍項目將核聚變燃料製成等離子磁化球,在液態金屬殼中點燃,活塞負責壓縮和點燃核燃料。此項目雖然中止,但有人重拾技術,用加拿大政府的小筆津貼,成立了通用聚變公司。2009年開始,通用聚變公司建造了海膽狀的、直徑1米的鋼球,14個加農炮口尺寸的活塞。反應室四周攪動熔鉛,創造出中有空隙的渦流,容納氫燃料。活塞以每秒50米的速度撞擊反應室壁上的插件,發送衝擊波穿過熔鉛,促發小型核聚變。目前這一設備的壓縮系統和燃料注射器還在實驗階段,沒有實現聚變。

美國的勞倫斯維爾等離子體物理裝置(LPP),只花了200多萬美元,採用蘇聯上世紀50年代提出的“稠密等離子體焦點(DPF)”路線,電磁場壓縮核燃料。核心是兩個圓柱形電極,一個包含另一個。外部電極直徑18釐米,密封在充滿氣體的管中。一個電脈衝從外部電極衝向內部電極,產生等離子體環。接著,電流產生的磁場擠壓等離子環,成一個微小且緻密的球。然後磁場崩塌誘發電場,電子束穿過等離子體,加熱到幾億攝氏度高溫。目前該設備能達到高溫,但粒子密度不夠。

再如英國托卡馬克能源公司,首創高溫超導體的托卡馬克,球形構型來自普林斯頓大學,高溫超導體來自麻省理工學院。其ST40反應堆可生成1500萬攝氏度的等離子體――太陽中心溫度,創造了私企研究核聚變的紀錄;第二台反應堆ST25,2015年連續29小時輸出等離子體,創下世界紀錄。2018年公司想將反應溫度再創新高,達到1億攝氏度。

美國洛克希德・馬丁公司的臭鼬工廠也從2010年研發緊湊型聚變反應堆,體積將是之前概念反應堆的十分之一,跟大型卡車的拖車一樣大。

群雄逐鹿,草根主導

1950年代以來,蘇聯和美國的政府項目都重點研究托卡馬克,它形似甜甜圈,用磁場箍束幾千萬攝氏度的等離子體。

ITER建成前,英國牛津的JET是最大的托卡馬克裝置。1997年,JET用2.5萬千瓦的輸入功率,輸出了1.6萬千瓦的聚變能,曾鼓舞了科學家建造ITER。

1985年,歐洲、日本、美國和蘇聯提議共建ITER計劃。2007年,歐盟、中國、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國開始合作ITER計劃,在法國南部建造一台托卡馬克裝置,擁有800多立方米的等離子體腔,磁體重量與一架波音747飛機相當。預計ITER建成後,能產生500兆瓦電力,大約相當於現在的大型核裂變反應堆。該項目前十年執行拖遝,成本超出預算。

很多人認為大型裝置的建造時間長,造價貴,商業化進程不如人意。各國政府主導的核聚變進程讓民間高手看不慣了,等不住了,這幾年,紛紛踏入核反應圈。

與官方裝置相比,民間裝置小而便宜。如應用聚變系統公司建造的兩座反應堆主半徑只有1.1米,每個價值5200萬美元。而ITER造價高達150億美元。應用聚變公司使用3D打印製造小型、緊湊、可裝在航天器上的聚變反應堆,這有利於成本和迭代速度。

互聯網公司的介入也讓一些企業獲得了更多關注。2011年,加拿大的通用聚變公司得到亞馬遜總裁貝佐斯資助,加拿大石油公司Cenovus也支持他們。去年該公司與微軟合作,用超算分析實驗結果,加速研究。

三阿爾法能源公司獲得微軟聯合創始人艾倫資助,從俄羅斯國有企業Rusnano等處融到上億美元資金,還得到Google的支持,研發加快等離子體實驗的算法。

有人指出,根據如今的超級計算機模擬,等離子體湍流有別的應對,小反應堆也可行。而基於1997年設計的ITER為了應對湍流,造得過大了。

而像英國托卡馬克能源公司這樣的黑馬,更是拿出了時間表。“可控核聚變將在未來幾年內成為現實,而非數十年後。”該公司首席執行官金漢姆說,他們計劃2025年研發出首個新式小型核反應堆,2030年向電網輸電。他們的高溫超導體小型裝置只有幾米寬,有利於批量生產。英國政府也資助了這一項目。

路線待定,中企投資大

中國在核聚變研究領域實力不凡。去年,位於合肥的先進實驗超導托卡馬克(EAST)實現電子溫度5000萬攝氏度、持續時間101秒的穩態長脈衝高約束等離子體運行,創造了新的世界紀錄。不過之前還沒有中國民營企業主導的實驗裝置。

而新奧宣佈研發核聚變,是在新奧能源研究院、中國物理學會等離子體物理分會和中國核學會核聚變與等離子體物理學會舉辦的“緊湊型聚變技術研討會”上。參會的中國國際核聚變能源計劃執行中心羅德隆主任告訴科技日報記者,中國的EAST和國際共建的ITER實驗堆,都有中國企業參與製造,但能源企業研發核聚變裝置在中國還是首次,這有利於吸引社會力量參與。

國家“千人計劃”專家、新奧集團執行副總裁兼技術委員會主席朱振旗博士說,新奧近十年在清潔能源技術領域銳意創新,已經在煤基低碳能源、泛能網等方面領先國際。小型聚變是邁向無碳能源的顛覆性技術創新,符合能源發展趨勢與社會可持續發展要求。

羅德隆和朱振旗都表示,新奧探索的是緊湊型聚變裝置,與EAST、ITER和未來的CFETR(中國聚變工程實驗堆)不一樣。朱振旗說,新奧的聚變裝置將是分佈式供能――不僅發電,還要利用放出的熱量。

新奧將用大約兩年時間確定技術路線。朱振旗表示,爭取用十年時間實現技術突破,並在其後開展示範工作,每年需要投入資金數億元。為鼓勵國內外青年英才參與,新奧將設立一個小型聚變技術的方案競賽,就現存問題給出創新和顛覆性的創意。參與者可獲1萬到30萬元的獎勵,最高獎金達100萬元。

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