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核聚变技术取得“历史性突破”!核聚变发电,距离现实还有多远?还有哪些挑战?

添加时间:2024-01-26

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国家点火设施此前已经多次重复了这一过程,最好的成绩是产出和投入能量比为70%,仍然是净能量损失。这一次的不同之处在于,聚变燃料的超高温、能量密度和维持的时间都达到了临界标准,最终达成了点燃的效果,产生出了更多的能量。

“这一结果是惯性约束聚变作为发电技术的分水岭时刻。长期以来,(激光冲击的)目标产生能量增益就是衡量成功的标准,它意味着核心的物理学原理已经被攻克,”英国核聚变公司First Light 创始人Nick 对《每日经济新闻》记者表示,“从这一结果到发电的物理学路径是非常清楚的,而且风险大大降低了。”

核聚变作为能源来源的优点十分突出。首先是极大的能量密度。据国际原子机构,核聚变产生的能量是核裂变(目前使用的核电技术)的四倍,理论上,只需要几克氘氚反应物,就有可能产生一万亿焦耳的能量,这大约是发达国家的一个人在60年内所需要的能量。其次,和核裂变一样,核聚变不会向大气中排放二氧化碳或其他温室气体。

First Light 的首席财务官David Byron对《每日经济新闻》记者表示,作为能源生产方式,核聚变拥有核裂变的所有优点,同时又能避免后者的很多缺点。

“核聚变不会存在核反应堆融毁的情况,从本质上来说就很安全。简单来说,核裂变反应堆的功能是控制能量释放的速度,避免其失控;核聚变则相反,它需要创造聚变发生的条件,假如停止投入聚变燃料,或者没有合适的高温条件,聚变反应自己就停止了,”David Byron解释道。

此外,核聚变过程中不会出现制造武器级别的材料。对于很多没有核武器的国家而言,由于核裂变技术的出口管制,他们无法发展核能,但核聚变就不存在这个问题。核聚变也不会产生长时间的放射性核废料,不需要花几代人来清理。“因此核聚变技术有望帮助更多国家摆脱贫困,” David Byron补充道。

人类距离用上核聚变能源还有多远?

如果人类有一天能大规模应用核聚变作为能源,无疑意味着地球能源结构翻天覆地的重构。此次核聚变实现净能量增益,让我们离这一天还有多远呢?科学界认为,要用上核聚变能,需要经历实验室点火和燃烧、聚变发电演示和商用发电三个阶段,目前我们还处于第一阶段,而且还有很多挑战尚未解决。

“在协同的努力和投资之下,对底层技术再进行数十年的研究,我们或许可以开始建造(核聚变)发电厂,” LLNL实验室的主任Kim Budil在发布会上预测,“还存在很多科学和技术上的重大挑战。这次只是一次性点燃一个靶丸,要实现商用聚变能,需要达成每分钟非常非常多次的聚变点燃,而且还需要强大的驱动系统才能实现。”

核聚变废料_聚变核废料_核聚变废热

牛津大学物理学教授、LLNL实验室核聚变项目的咨询专家 Wark对科学传播组织SMC表示,LLNL实验室理论上可以每天重复一次类似的点燃成果,但核聚变电厂需要的是每秒钟十次。

另一方面,净增益能量也需要大幅提高。剑桥大学核能讲师Tony 对SMC表示,根据《金融时报》当时报道的数据,实验室为产生激光而投入了500兆焦的能源,最终输送到靶丸上的能源才1.8兆焦,虽然最后实现了净能量增益(2.5兆焦),但从整个过程来看,实际上产出只占投入的0.5%。从工程学的角度而言,最终需要产出的能量为投入激光组能量的两倍才算达到目标,因为从聚变热能转化为电力的过程中还会产生能量损失。

“因此可以说,国家点火设施的实验结果是一项科学上的成功,但离提供可用的、充足的清洁能源还有很长一段路要走,” Tony 表示。

假如核聚变还需要数十年才能投入应用,那么它对于应对迫在眉睫的气候变化可能无法发挥重要作用。

科学倡导组织忧思科学家联盟(Union of )的核能安全主管Ed Lyman对政治新闻网表示:“不是说要贬低他们的成就,但还是得谨慎看待。(核聚变)对于实现脱碳而言晚得不是一点点。我们需要在接下来的一二十年努力脱碳,而就算根据最乐观的预估,核聚变能也要2040年代才能出现。”

First Light 毫无疑问属于乐观派。首席财务官David Byron对《每日经济新闻》记者表示,公司预计在2030年代早期到中期,就可以修建并入电网的核聚变电站试点项目,也就是说还有十年的时间。

这一时间节点也是很多核聚变产业人士的预测,不过核聚变的布局时间线并不可靠。早在2012年,国家点火设施的主管曾预测十年内聚变技术就能达到商业可行性,但现在这个时间点已经差不多过去了。

First Light 创始人Nick 对每经记者坦承,对于能源领域而言,本次实验结果不会产生直接的影响,必须继续投入风能、太阳能等可再生能源。“这不是解决气候变化的灵丹妙药,但是我们需要清洁的基本负载电力,这是核聚变发挥作用的地方,” Nick 表示。

David Byron补充解释说,我们需要尽可能多的风能和太阳能,但由于选址和土地使用等因素限制,可再生能源无法完全满足人类的需求。此外,受自然条件影响,可再生能源还有间歇性的问题,因此人类需要能24小时持续满足电网系统最低电力需求(基本负载电力)的发电厂,这就是核能(包括裂变和聚变)发挥作用的地方。由于核聚变安全性更好,监管批准的负担比核裂变发电厂要小很多,因此未来将发挥重要作用。

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