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(dòng)地球離開太陽系的行星發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力來源。
一直以來，可控核聚變發(fā)電被戲稱為一項(xiàng)距離成功“永遠(yuǎn)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(jī)構(gòu)預(yù)測，實(shí)現(xiàn)核聚變發(fā)電至少還要50年甚至要到本世紀(jì)末。隨著對(duì)核聚變研究的不斷深入以及其他相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，有越來越多的人認(rèn)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(biāo)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(xiàng)協(xié)議讓可控核聚變?cè)僖淮纬蔀闃I(yè)界焦點(diǎn)。那么，近兩年捷報(bào)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(shí)現(xiàn)核聚變發(fā)電，乍一聽顯得不切實(shí)際，但參與方確實(shí)表達(dá)出極大的信心。微軟總裁布拉德·史密斯就表示：“如果我們對(duì)工程進(jìn)展的勢頭不樂觀，我們就不會(huì)簽訂這項(xiàng)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(rèn)為，Helion Energy與微軟的這筆交易，將是打破人們對(duì)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(jì)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(dá)到50兆瓦甚至更大的目標(biāo)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(biāo)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(jī)構(gòu)定義，核聚變是兩個(gè)輕原子核在超高溫或高壓情況下，結(jié)合成一個(gè)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(yùn)行安全，反應(yīng)釋放能量巨大等突出優(yōu)點(diǎn)。核聚變的能量可達(dá)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(huì)的“終極能源”，成為了世界多個(gè)主要國家重點(diǎn)布局的領(lǐng)域。目前，核聚變的主流實(shí)現(xiàn)路徑主要有兩個(gè)，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(xiàng)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(gè)“北極星”（Polaris）正在建造中，這種反應(yīng)發(fā)電的能力，預(yù)計(jì)將在2024年向外界展示。雖然微軟公司和Helion Energy都對(duì)這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)抱有極大信心，但結(jié)果如何還是個(gè)未知數(shù)。不過，這一合作也折射出核聚變的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)加速階段。
圖：ITER項(xiàng)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(gè)難以突破的關(guān)鍵點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)室首次成功在核聚變反應(yīng)中實(shí)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(gè)實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家向目標(biāo)輸入了2.05兆焦?fàn)柕哪芰?，產(chǎn)生了3.15兆焦?fàn)柕木圩兡芰枯敵?，產(chǎn)生的能量比投入的能量多50%以上。該試驗(yàn)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(dá)到極高的溫度和壓力，引發(fā)核聚變反應(yīng)。業(yè)界認(rèn)為，盡管此次實(shí)驗(yàn)存在有待商榷的地方，但它還是具有重大意義，因?yàn)樗拇_實(shí)現(xiàn)了聚變中產(chǎn)生的能量多于用來驅(qū)動(dòng)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(shí)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(gè)領(lǐng)域活躍起來。前文所提及的山姆·奧特曼對(duì)Helion Energy的投資正是發(fā)生在2011年底。就在Helion融資一個(gè)月后，從麻省理工學(xué)院獨(dú)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(gè)人或機(jī)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(duì)一塊10噸重的D型磁鐵緩慢充電并提升場強(qiáng)，直到它超過20T。該公司創(chuàng)始人表示，這解決了開發(fā)一個(gè)緊湊、廉價(jià)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(jià)、無碳、永遠(yuǎn)在線的能源，沒有核反應(yīng)堆堆芯熔毀的危險(xiǎn)，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(shí)，核能在海水淡化、核能清潔制氫、放射性同位素生產(chǎn)、核動(dòng)力船舶推進(jìn)等領(lǐng)域均已取得積極進(jìn)展。國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）項(xiàng)目此前發(fā)布的公報(bào)顯示，該項(xiàng)目將在2025年實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，2035年開始氘氚聚變實(shí)驗(yàn)。不過，即便一切順利，ITER也只是一個(gè)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置EAST圖源：中國科學(xué)院
中國可控核聚變進(jìn)行時(shí)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(bào)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(duì)核聚變的研究早在上世紀(jì)50年代就已經(jīng)開始。1955年，錢三強(qiáng)和李正武等科學(xué)家便提議開展中國的“可控?zé)岷朔磻?yīng)”研究。而中國核聚變研究史上的重要里程碑，當(dāng)屬1984年中國環(huán)流器一號(hào)（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(jì)、建造、運(yùn)行核聚變實(shí)驗(yàn)研究裝置培養(yǎng)了大批人才，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。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(gè)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(gè)具有偏濾器位形的托卡馬克裝置中國環(huán)流器二號(hào) A（HL－2A）；2006年，世界上第一個(gè)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(shí)現(xiàn)了 1056 秒的長脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行，其間電子溫度近 7000 萬攝氏度，創(chuàng)下當(dāng)時(shí)托卡馬克裝置高溫等離子體運(yùn)行的最長時(shí)間紀(jì)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(yùn)行新紀(jì)錄，標(biāo)志著中國核聚變研發(fā)距離聚變點(diǎn)火邁進(jìn)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式等離子體運(yùn)行403秒的新世界紀(jì)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(shí)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(shí)則表達(dá)了相對(duì)保守的看法，“我沒有聚變專家那么樂觀，但實(shí)現(xiàn)地球上造一顆人造太陽，本世紀(jì)是可以看到的。”不管是激進(jìn)還是保守，可控核聚變的技術(shù)進(jìn)展依然值得我們期待。在科研和資本雙重力量帶動(dòng)下，在不久的將來，“人造太陽”必將成為地球上最強(qiáng)大的能源。來源：麻省理工科技評(píng)論
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