聚变能源有望突破,2025年测试、2035年发电(美國美中報道)

MIT/SPARC高温超导核聚变反应堆堆芯环形磁场截面示意图(来源:CFS/MIT-PSFC;模拟图作者:T. Henderson)

英国剑桥大学出版社的《等离子体物理学杂志》(Journal of Plasma Physics)去年出了一期专刊,内容是美国一家研发热核聚变能源的“联邦聚合系统”公司(CFS, Commonwealth Fusion Systems)科研人员发表的7篇论文,引起了可控核聚变和能源领域内的科学家和社会人士的广泛关注:再有不到20年,人类可望开发出资源无限而且几乎没有污染的清洁能源。

2018年,美国麻省理工学院等离子体科学与核聚变中心(Plasma Science and Fusion Center)在新型高温超导领域取得进展,为超越原有以国际热核聚变实验反应堆(ITER)为代表的新能源开发打下了基础。随即该校的一批科学家和工程师创建了CFS,计划建设比ITER反应堆体积缩小数十倍、成本大幅降低的核聚变发电装置。他们将试验性的聚变反应堆命名为Soonest/Smallest Private-Funded Affordable Robust Compact,缩写为SPARC,意思是最快/最小、民营、实惠、既紧凑又强力的热核聚变装置。

当今核聚变发电有好几个选项,主流有两种方案,既要么采用惯性约束,要么采用磁性约束,都是使得轻核元素在高温高压下成为等离子体,从而发生核聚合反应,生成总质量较小的新元素,丢失的那部分质量就转化成了能量。如果因质量转化而得到的能量大于让反应持续运转所需要的能量,就可以用来发电供人类使用。而聚变最好的原料是氢及其同位素,它们在地球上取之不尽用之不竭,一旦实现核聚变发电,不但可以一劳永逸地解决能源问题,同时也解决了造成环境污染和气候变暖的最大难题。

目前磁性约束核聚变是最有希望实现的方案,在上个世纪八十年代倡议下的ITER就是代表。由于历史原因,ITER是一个庞然大物,不但耗资巨大,而且多方参与造成的种种问题使得其进展缓慢。虽然数十万吨的设备安装去年已经开始,但是随后的试验调试仍然是旷日持久的艰巨任务,到2035年能否试运转还是一个未知数。

2020年7月28日,位于法国南部的ITER正式开始组装。一位工作人员站立的位置是一个极向磁场线圈的中心,该线圈外径为24米,最大的重量高达400吨。ITER需要6个这样巨大的线圈,加上其他配套磁场设备,总重量一万吨,才能产生足够强的磁场,将处于等离子体态的氢同位素压缩在真空环的中心,可控核聚变才得以发生。(图片取自美联社)

而CFS的SPARC热核聚变反应堆,采用了新型的高温超导材料制备反应堆的核心设备,即用来将核燃料约束在托卡马克环形管腔内、形成高温高压高速运转的等离子体的磁场线圈,可以大大提高电流强度,从而产生更强力的磁场,将高温等离子体约束在更小的管腔之内。CFS论文的数据显示,SPARC高温超导线圈产生的磁场强度在托克马克圆环内可以达到21个特斯拉,而ITER则还不到12特斯拉(在地球赤道附近的地磁场强度只有30万分之一特斯拉)。更高的磁场强度还可以提高核聚变的效率,从而得到更高的投入产出。

SPARC的磁芯直径预计只要6米,是ITER的三分之一,辅助设备也可以大大缩小,总的体积将只有ITER的60到70分之一,不但成本大幅降低,而且进度可以大大提前。CFS预计明年就可以开始反应堆的正式组装,经过调试争取在2025年试运行,到2035年建成能源输入产出比达到10(Q = 10)的电站,实现人类几代人的梦想。

小型化的核聚变电站与现有的“清洁能源“相比,还有很多其他优点。它的电力输出可以达到250到1000兆瓦,与现有100到500兆瓦热电厂在同一数量级,可以对现有电厂的设备加以充分利用,而无需像太阳能或风力发电那样,需要一套不同的输配电设施。

最后要说的是,ITER项目聚合了世界最具财力物力的7个国家包括欧盟,投资已经接近130亿美元,目前还举步维艰,结果尚难预测。而美国一所大学催生的民营公司及其热核聚变项目,仅仅得到意大利、美国和其他国家私企和民间不到2亿美元的融资,却能够在热核能源领域提出开创性的构想并加以实行,箇中原因值得人们深思。

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