核聚變發(fā)電，僅需5年？
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在不少科幻作品里，總能看到核聚變的身影，它在電影《鋼鐵俠》里，是托尼·斯塔克胸口的方舟反應(yīng)爐，在《流浪地球》里，是推動地球離開太陽系的行星發(fā)動機動力來源。
一直以來，可控核聚變發(fā)電被戲稱為一項距離成功“永遠還有50年”的技術(shù)，這一說法反映的是核聚變工程技術(shù)極高的難度。此前曾有機構(gòu)預(yù)測，實現(xiàn)核聚變發(fā)電至少還要50年甚至要到本世紀末。隨著對核聚變研究的不斷深入以及其他相關(guān)技術(shù)的進步，有越來越多的人認為，核聚變能的應(yīng)用有望提前到2040年-2050年左右。
近期，微軟公司和核聚變初創(chuàng)企業(yè)給出了更為樂觀的承諾。5月10日，核聚變初創(chuàng)公司Helion Energy在官網(wǎng)宣布，微軟已同意從該公司首座核聚變發(fā)電站購買電力。在該電力購買協(xié)議中，Helion Energy承諾在2028年之前開始通過核聚變發(fā)電，并在一年之后為微軟提供目標為至少50兆瓦的發(fā)電量，否則將支付罰金。
從50年到5年，Helion Energy與微軟的這項協(xié)議讓可控核聚變再一次成為業(yè)界焦點。那么，近兩年捷報頻傳的可控核聚變，是否真的走到了商用發(fā)電的前夜？
圖源：Pixabay
5年后用上核聚變電力，可能嗎？要在2028年之前實現(xiàn)核聚變發(fā)電，乍一聽顯得不切實際，但參與方確實表達出極大的信心。微軟總裁布拉德·史密斯就表示：“如果我們對工程進展的勢頭不樂觀，我們就不會簽訂這項協(xié)議。” 而向Helion Energy投資了3.75億美元的OpenAI首席執(zhí)行官山姆·奧特曼則認為，Helion Energy與微軟的這筆交易，將是打破人們對核聚變商業(yè)發(fā)電疑慮的有效方式之一。那么，Helion Energy要如何來完成這筆交易？根據(jù)協(xié)議，該公司預(yù)計將在2028年之前上線核聚變發(fā)電設(shè)備，并在商定的一年內(nèi)達到50兆瓦甚至更大的目標發(fā)電規(guī)模。消息顯示，雖然Helion與微軟的商定的是50兆瓦的電力，但該公司的最終目標是生產(chǎn)1GW（1GW=1000兆瓦 ）電力，也就是賣給微軟的50兆瓦的20倍。根據(jù)國際原子能機構(gòu)定義，核聚變是兩個輕原子核在超高溫或高壓情況下，結(jié)合成一個較重的原子核并釋放出巨大能量的過程。核聚變具有燃料豐富，燃料成本低廉、環(huán)境污染小、運行安全，反應(yīng)釋放能量巨大等突出優(yōu)點。核聚變的能量可達到核裂變的四倍，更是化石能源效率的千萬倍。因此，核聚變能被視為通往未來社會的“終極能源”，成為了世界多個主要國家重點布局的領(lǐng)域。目前，核聚變的主流實現(xiàn)路徑主要有兩個，一是慣性約束，主要方向是激光聚變；一是磁約束，主攻方向是托卡馬克裝置，這也是大多數(shù)核聚變項目選擇的路徑。全球范圍內(nèi)具有代表性的托克馬克裝置包括美國DIIID、歐洲的JET、日本JT-60、我國的EAST和HL-2M等。不過，Helion Energy并不是使用上述兩種方法，而是要開發(fā)一種稱為“等離子加速器”的6×40 英尺的杠鈴形狀的設(shè)備。該設(shè)備可將燃料加熱至 1 億攝氏度，能將氘和氦 3 加熱成等離子體，再使用脈沖磁場壓縮等離子體直到發(fā)生聚變。資料顯示，Helion Energy已經(jīng)開發(fā)并測試了六種原型，第七個“北極星”（Polaris）正在建造中，這種反應(yīng)發(fā)電的能力，預(yù)計將在2024年向外界展示。雖然微軟公司和Helion Energy都對這一目標的實現(xiàn)抱有極大信心，但結(jié)果如何還是個未知數(shù)。不過，這一合作也折射出核聚變的發(fā)展進入了一個加速階段。
圖：ITER項目的托卡馬克裝置示意圖圖源：ITER官網(wǎng)
全球核聚變加速度核聚變研究已有超過70年的歷史，但一直以來都有個難以突破的關(guān)鍵點，那就是讓核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量大于維持反應(yīng)器等離子體穩(wěn)態(tài)的輸入能量。過去兩年，核聚變領(lǐng)域出現(xiàn)了很多重要的技術(shù)突破，其中，2022年12月13日，美國能源部宣布美國加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室首次成功在核聚變反應(yīng)中實現(xiàn)能量凈增益，激起了全球?qū)司圩兗夹g(shù)的關(guān)注熱情。在這個實驗中，科學(xué)家向目標輸入了2.05兆焦爾的能量，產(chǎn)生了3.15兆焦爾的聚變能量輸出，產(chǎn)生的能量比投入的能量多50%以上。該試驗采用了慣性約束核聚變技術(shù)，利用激光的沖擊波使得通常包含氘和氚的燃料球達到極高的溫度和壓力，引發(fā)核聚變反應(yīng)。業(yè)界認為，盡管此次實驗存在有待商榷的地方，但它還是具有重大意義，因為它的確實現(xiàn)了聚變中產(chǎn)生的能量多于用來驅(qū)動它的激光能量，證明了慣性聚變能 (IFE) 的最基本科學(xué)基礎(chǔ)。這一成果也意味著人類離核聚變的實現(xiàn)更近了一步。值得注意的是，核聚變的火熱在此之前就已經(jīng)有了跡象。一直以來，核聚變領(lǐng)域由于技術(shù)水平要求高、投入大，主要都是由政府主導(dǎo)建設(shè)。自2021年以來，私人資本開始在這個領(lǐng)域活躍起來。前文所提及的山姆·奧特曼對Helion Energy的投資正是發(fā)生在2011年底。就在Helion融資一個月后，從麻省理工學(xué)院獨立出來的核聚變創(chuàng)業(yè)公司 Commonwealth Fusion Systems（CFS）拿到比爾·蓋茨、喬治·索羅斯、Google等30位個人或機構(gòu)超過18億美元的融資，這一金額也超過之前所有核聚變創(chuàng)業(yè)公司的融資之和。
該年9月，Commonwealth Fusion Systems的研究人員對一塊10噸重的D型磁鐵緩慢充電并提升場強，直到它超過20T。該公司創(chuàng)始人表示，這解決了開發(fā)一個緊湊、廉價的聚變反應(yīng)堆過程中所面臨的主要工程挑戰(zhàn)。核聚變有望產(chǎn)生廉價、無碳、永遠在線的能源，沒有核反應(yīng)堆堆芯熔毀的危險，也幾乎沒有放射性廢物。 創(chuàng)業(yè)公司和私人資本的加入，意味著可控核聚變的商業(yè)化之路在加速?？梢灶A(yù)見，核聚變?yōu)槿祟惏l(fā)電已是指日可待之事。目前，全球核能主要用于發(fā)電，與此同時，核能在海水淡化、核能清潔制氫、放射性同位素生產(chǎn)、核動力船舶推進等領(lǐng)域均已取得積極進展。國際熱核聚變實驗堆（ITER）項目此前發(fā)布的公報顯示，該項目將在2025年實現(xiàn)點火，2035年開始氘氚聚變實驗。不過，即便一切順利，ITER也只是一個實驗聚變堆，并不等同于可用于商業(yè)發(fā)電的裝置。
圖：全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置EAST圖源：中國科學(xué)院
中國可控核聚變進行時近幾年，中國在可控核聚變領(lǐng)域的存在感快速提高。根據(jù)《日經(jīng)中文網(wǎng)》的報道，全球核聚變相關(guān)專利數(shù)量上，中國排在首位，高于美國（第2位）和日本（第4位）。中國在核聚變領(lǐng)域雖然不及美國、日本等國家表現(xiàn)得高調(diào)，但對核聚變的研究早在上世紀50年代就已經(jīng)開始。1955年，錢三強和李正武等科學(xué)家便提議開展中國的“可控熱核反應(yīng)”研究。而中國核聚變研究史上的重要里程碑，當屬1984年中國環(huán)流器一號（HL－1）的建成。這是中國核聚變領(lǐng)域的第一座大科學(xué)裝置，它為中國自主設(shè)計、建造、運行核聚變實驗研究裝置培養(yǎng)了大批人才，積累了豐富經(jīng)驗。自那以后，中國磁約束聚變一步步發(fā)展壯大。1995年中國第一個超導(dǎo)托卡馬克裝置HT-7在合肥建成；2002年中國建成第一個具有偏濾器位形的托卡馬克裝置中國環(huán)流器二號 A（HL－2A）；2006年，世界上第一個全超導(dǎo)托卡馬克裝置東方超環(huán)（EAST）首次等離子體放電成功。在2021 年底，EAST 實現(xiàn)了 1056 秒的長脈沖高參數(shù)等離子體運行，其間電子溫度近 7000 萬攝氏度，創(chuàng)下當時托卡馬克裝置高溫等離子體運行的最長時間紀錄。2022年10月19日，中國新一代“人造太陽”HL-2M等離子體電流突破100萬安培，創(chuàng)造了中國可控核聚變裝置運行新紀錄，標志著中國核聚變研發(fā)距離聚變點火邁進了重要一步。2023年4月12日，東方超環(huán)（EAST）再次獲得重大突破——成功實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式等離子體運行403秒的新世界紀錄。可以看到，核聚變領(lǐng)域越來越多的新成果在涌現(xiàn)，那么，核聚變的“SpaceX moment”何時到來？目前，業(yè)界專家們看法不一，從2030年到幾十年后不等。近期，中國工程院院士杜祥琬在接受媒體采訪時則表達了相對保守的看法，“我沒有聚變專家那么樂觀，但實現(xiàn)地球上造一顆人造太陽，本世紀是可以看到的。”不管是激進還是保守，可控核聚變的技術(shù)進展依然值得我們期待。在科研和資本雙重力量帶動下，在不久的將來，“人造太陽”必將成為地球上最強大的能源。來源：麻省理工科技評論
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