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首次产生净能量增益!美国宣布首次实现“核聚变点火”,距离清洁、安全和廉价的能源还有多久?

每日经济新闻 2022-12-14 16:28:30

每经记者 李孟林    每经编辑 王月龙 高涵    

当地时间12月13日,美国能源部宣布,美国科研人员在研究核聚变能源方面取得重大突破。据路透社援引消息人士称,位于加利福尼亚州的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)的科研人员在一次使用激光的核聚变实验中,首次实现了净能量增益。

自1958年科学家向世界公布核聚变研究以来,人类孜孜不倦地希望通过在地球上复制核聚变的过程,来获得几乎无限的清洁、安全和廉价的能源。而在此之前,科学家迟迟未能攻克第一道拦路虎:

因此,在美国能源部证实美国科学家已经实现了核聚变产出大于投入的“净能量增益”后,立刻引发了科学界的轰动。在世界正面临化石能源导致的气候危机之下,坊间更有乐观的议论认为,一劳永逸地解决能源问题已经出现曙光。据美国能源部,实验产生的能量比投入的能量多50%以上。

科学家指出,此次实现的净能量增益是数十年来最重要的科学成果之一,是对核聚变原理的概念验证,但人类离用上核聚变能还有很长的路要走,能量增益的规模还需要大幅提高才能考虑转化为电力的事情。

英国核聚变公司First Light Fusion创始人Nick Hawker在采访中对《每日经济新闻》记者表示,这次实验结果对各国的能源转型政策短期内并无影响,核聚变并不是解决气候变化的灵丹妙药,但可以在未来的清洁能源结构中,扮演维持基本负载电力的重要角色。

核聚变技术的“历史性突破”?

业内人士:核心物理学原理已被攻克

当地时间12月13日,美国能源部官员宣布,由美国政府资助的加州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室,首次成功在核聚变反应中实现了净能量增益。据悉,实验向目标输入了2.05兆焦耳的能量,产生了3.15兆焦耳的聚变能量输出,产生的能量比投入的能量多50%以上。

“这是过去二三十年来最大的科学成果之一,” 贝尔法斯特女王大学研究激光和等离子物理学的Gianluca Sarri表示。

要理解这项成就的重要性,就得知道实现增益的难度。据国际原子能机构,核聚变是两个轻原子核结合成一个较重的原子核并释放出巨大能量的过程,这一过程发生在一种叫作等离子体的物质状态中。在地球上,人类需要超过1亿摄氏度的温度和强大的压力,才能促成氘(重氢)和氚(超重氢)的混合物发生核聚变,而且还需要将等离子体和聚变反应保持足够长的时间,才能获得净能量增益。

图片来源:国际原子能机构

LLNL实验室采用了一种名为惯性约束聚变的路径。在发布会上,美国国家核安全局官员Marv Adams用简单的语言解释了该实验室“国家点火设施”的实验过程:规模相当于三个足球场的192个激光器组合,从两端向一个圆柱体发射激光束,将能量注入,而圆柱体中一个仅有半个气枪BB弹大小的靶丸受到挤压,球内的氘氚聚变燃料被“点燃”,产生出能量。整个聚变过程发生速度极快,比光运动一英尺(2.54厘米)的时间还快。

国家点火设施实验过程 图片来源:美国能源部

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 Fusion创始人Nick Hawker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。

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First Light Fusion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。”

牛津大学物理学教授、LLNL实验室核聚变项目的咨询专家Justin 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 Roulstone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 Roulstone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 Concerned Scientists)的核能安全主管Ed Lyman对政治新闻网Politico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 Fusion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 Fusion创始人Nick Hawker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 Hawker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。

记者|李孟林

编辑|王月龙 高涵 杜波

校对|程鹏

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