美公司在安全核聚變能源上獲里程碑進(jìn)步

觀道者 2021-05-05

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導(dǎo)讀：一家位于美國(guó)加利福尼亞州的私人公司表示，其開(kāi)發(fā)的一種新技術(shù)在核聚變能源技術(shù)方面具有里程碑意義。

原子核聚變示意圖。

一家位于美國(guó)加利福尼亞州的私人公司表示，其開(kāi)發(fā)的一種新技術(shù)在核聚變能源技術(shù)方面具有里程碑意義。

這家擁有20年聚變能源開(kāi)發(fā)歷史的TAE Technologies公司表示，他們公司聚變反應(yīng)堆已經(jīng)具備了在超過(guò)5,000萬(wàn)度的溫度下產(chǎn)生穩(wěn)定等離子體的能力（這個(gè)溫度超過(guò)太陽(yáng)核心溫度3倍以上），該公司表示這項(xiàng)技術(shù)有望在十年后以商業(yè)規(guī)模運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)核聚變發(fā)電。

核聚變可提供清潔、環(huán)保且本質(zhì)安全的能源，并且燃料供應(yīng)充足，與當(dāng)前核發(fā)電廠采用的核裂變能源不同。

TAE首席執(zhí)行官米歇爾·本德鮑爾（Michl Binderbauer）說(shuō)：這是一個(gè)令人難以置信的有意義的里程碑，論證了1990年他和已去世的公司共同創(chuàng)始人諾曼·羅斯托克（Norman Rostoker）合著的一篇論文的觀點(diǎn)。該論文指出，由高能粒子控制的某些等離子體應(yīng)隨著溫度的升高而變得越來(lái)越受限和穩(wěn)定?！拔覀儸F(xiàn)在已經(jīng)能夠以壓倒性的證據(jù)證明這種等離子體的行為。這有力的驗(yàn)證了過(guò)去三十年來(lái)我們的工作成果，也是TAE的一個(gè)非常關(guān)鍵的里程碑?！?/section>

核聚變與核裂變區(qū)別

目前的核發(fā)電站都是核裂變發(fā)電，與核聚變發(fā)電雖然只有一字之差，區(qū)別卻很大。

核裂變，是指由較重的（原子序數(shù)較大的）原子，主要是指鈾或钚，裂變成較輕原子的一種核反應(yīng)形式。原子彈利用了裂變產(chǎn)生的熱量。

核聚變，是指將兩個(gè)較輕的核結(jié)合形成一個(gè)較重的核和一個(gè)極輕的核（或粒子）的核反應(yīng)形式。氫彈和太陽(yáng)發(fā)出的能量都利用了核聚變的能量。

因?yàn)榫圩儼l(fā)電有許多潛在好處，長(zhǎng)期以來(lái)一直被視為理想的能量來(lái)源。核聚變不會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)壽命和高放射性的核廢料。而且聚變工廠發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)非常有限，如果聚變反應(yīng)器密閉性喪失，聚變反應(yīng)就會(huì)停止，不太可能發(fā)生爆炸或大規(guī)模能量釋放。核聚變發(fā)電原料大部分也儲(chǔ)藏豐富，如氘-氚核聚變反應(yīng)，其原料氘可直接取自海水，來(lái)源幾乎取之不盡。但地球沒(méi)有氚資源，只能通過(guò)中子與鋰-6（6Li）反應(yīng)生產(chǎn)，這就涉及了鋰資源的問(wèn)題，以及大量的中子增殖材料，如鈹、鉛等，這些資源是有限的。TAE公司采用氫和硼作為聚變?cè)?，其?chǔ)備十分豐富，其中硼礦儲(chǔ)量在全世界約有11億噸。氫儲(chǔ)量也非常豐富，甚至可直接從水中提煉。

為什么不用核聚變發(fā)電？

核聚變發(fā)電有這么多優(yōu)點(diǎn)，而且科學(xué)家很早就知道核聚變?cè)恚ㄈ缫跃圩兎磻?yīng)為能量來(lái)源的氫彈試爆僅比以裂變?yōu)槟芰縼?lái)源的原子彈試爆晚7年），為什么不用核聚變來(lái)發(fā)電呢？原因是促使核聚變發(fā)生的條件很難再創(chuàng)造。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，核聚變廠為了能夠輸出商業(yè)用電，需要將等離子體限制在“足夠熱”的溫度下，使等離子可以劇烈運(yùn)動(dòng)，從而增加相互碰撞概率以發(fā)生聚變；同時(shí)還需限制“足夠長(zhǎng)”的時(shí)間，以保證持續(xù)發(fā)生聚變反應(yīng)；且在這個(gè)過(guò)程中，聚變產(chǎn)生的能量要大于輸入的能量，才有商業(yè)價(jià)值。（注：等離子體是指氣體加熱到很高溫度從而使電子脫離原子，但帶正電荷的原子核與帶等量負(fù)電荷的電子相互共存，宏觀呈現(xiàn)電中性，為等離子體。）

以太陽(yáng)為例，太陽(yáng)通過(guò)核聚變產(chǎn)生能量。太陽(yáng)質(zhì)量形成強(qiáng)大引力（相當(dāng)于3000億個(gè)大氣壓）將等離子體緊緊吸引到一起，在這樣的條件下，太陽(yáng)的核心溫度雖然只有1500萬(wàn)攝氏度，也能使核聚變持續(xù)產(chǎn)生，從而源源不斷地釋放能量。

而在地球上，不可能形成太陽(yáng)這么大的壓力，科學(xué)家就只能在溫度上做文章了。如果溫度太低，不能形成自我維持聚變，就需要不斷輸入能量以維持聚變反應(yīng)，使得到的熱量還不如輸入加熱所需的能量，就沒(méi)有了商業(yè)價(jià)值。

TAE公司最新成就的意義

1.足夠長(zhǎng)的時(shí)間：TAE在2015年表示，他們當(dāng)時(shí)的反應(yīng)器（上一代反應(yīng)器）證明其公司的方法可以無(wú)限期維持等離子體-這意味著聚變反應(yīng)一旦開(kāi)始就可以永遠(yuǎn)持續(xù)下去。

2.反應(yīng)堆的溫度維持：TAE當(dāng)前的緊湊型反應(yīng)器“Norman”在18個(gè)月的測(cè)試中，表現(xiàn)出可在5000萬(wàn)攝氏度穩(wěn)定運(yùn)行，并且運(yùn)行周期重復(fù)過(guò)數(shù)百次。即達(dá)到了“足夠熱”的溫度。

該“Norman”反應(yīng)器進(jìn)行過(guò)25,000多個(gè)完全集成的聚變反應(yīng)堆堆芯實(shí)驗(yàn)，并使用現(xiàn)有的最先進(jìn)的計(jì)算流程對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，包括借助美國(guó)能源部（DOE）百億級(jí)別的計(jì)算能力和Google等公司的學(xué)習(xí)智能機(jī)器人。

TAE公司的核聚變采用了一種稱(chēng)為場(chǎng)反轉(zhuǎn)配置（FRC，field-reversed configuration）的新技術(shù)。該技術(shù)不依靠氘-氚（DT）聚變，而是采用氫-硼聚變。盡管這種聚變反應(yīng)要求溫度至少高一個(gè)數(shù)量級(jí)，但它的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)產(chǎn)生像DT聚變那樣復(fù)雜的高能中子。

本德鮑爾表示：“Norman”里程碑式的成就使他們相信，他們可以將其應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中。“隨著我們從科學(xué)驗(yàn)證階段過(guò)渡到包含聚變和電力管理技術(shù)的商業(yè)模式解決方案（階段），TAE將成為整個(gè)能源網(wǎng)現(xiàn)代化的重要貢獻(xiàn)者?！?/section>

因?yàn)檫@項(xiàng)成就，TAE公司已融資2.8億美元，使其融資總金額達(dá)到8.8億美元，這是全世界融資最多的私人核聚變項(xiàng)目之一。

他們將利用部分融資資金開(kāi)發(fā)名為“Copernicus”（哥白尼）的設(shè)施，該設(shè)施運(yùn)行溫度將超過(guò)1億攝氏度，比目前的溫度再高出1倍，以最終將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于商業(yè)。

該成果已經(jīng)通過(guò)公司獨(dú)立的科學(xué)小組的審查和認(rèn)可，科學(xué)小組成員包括多個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)獲得者和麥克斯韋獎(jiǎng)（Maxwell Prize）獲得者及企業(yè)董事會(huì)人員，含前首席執(zhí)行官杰弗里·伊梅爾特（Jeffrey Immelt）、摩根士丹利（Morgan Stanley）前首席執(zhí)行官約翰·馬克（John Mack）、卡耐基科學(xué)研究所（Carnegie Institution for Science）名譽(yù)主席、美國(guó)核監(jiān)管委員會(huì)前主席理查德·梅澤夫（Richard Meserve）、美國(guó)前能源部長(zhǎng)歐內(nèi)斯特·莫尼茲（Ernest Moniz）等。

根據(jù)Tech Crunch的報(bào)導(dǎo)，TAE公司還未通過(guò)聚變器發(fā)電，在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)該公司也不會(huì)。本德鮑爾表示：“能量超級(jí)小，它是無(wú)形的，就像大海撈針?！薄熬推淠芰靠勺R(shí)別性而言，我們可以將其用于診斷。”

他們公司下一個(gè)目標(biāo)是將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在為聚變反應(yīng)產(chǎn)生能量創(chuàng)造必要條件上。

其它核聚變

目前法國(guó)正在建造另一個(gè)名為國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)堆（ITER）的核聚變項(xiàng)目，該項(xiàng)目是一個(gè)耗資250億美元的巨型反應(yīng)堆，由35個(gè)國(guó)家的7個(gè)集團(tuán)共同投資。ITER目標(biāo)是在2035年之前能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)等離子燃燒。一旦達(dá)成該目標(biāo)，該項(xiàng)目預(yù)計(jì)還需十年時(shí)間，以推出試驗(yàn)性質(zhì)的完整發(fā)電裝置。

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