科技突破能否将聚变能源带入现实？（下）

2023-07-28 14:01:43 来源 : 嘿嘿能源heypower

2022年12月， LLNL的科学家们用高功率激光的能量将氢聚变成氦，这一成果在国际上引起轰动。他们产出的能量略高于启动消耗的能量。LLNL所长Kimberly Budil称此成果是一个“真正的里程碑”，为聚变研究开启了“具有变革意义的新十年”。美国能源部长Jennifer Granholm也称其为“21世纪最令人瞩目的科学成就之一”。

伦敦帝国学院材料物理学教授Robin Grimes没有参与该实验，但他说这是“一条可能通往商业聚变道路上的关键一步”和 “一次工程上的胜利”。

激光聚变的工作原理是高频地向冷却的氢靶丸注入高能激光束。Grimes和其他科学家同时也指出此技术尚存在巨大的挑战。剑桥大学核能专业讲师Tony Roulstone说“尽管这是个积极的消息，但离实际发电的能量增益还有很长的路要走”。LLNL的激光实验在能量输入为2.05 MJ的情况下成功产生了3.15 MJ的能量输出，但为了进行五个微秒的实验，整个设备需要消耗400MJ的能量，这足以让10个美国家庭使用一年。

【资料图】

科学家指出：“激光聚变潜力无限，但同时也挑战重重。”

Roulstone补充道，要实现商业聚变，该过程必须进行规模化，比如 “能量增益达到激光输入能量的两倍”，这依旧是一个遥远的目标。根据同样没有参与实验的牛津大学物理学教授Justin Wark的说法，LLNL每天只能进行一次放电，而“一个聚变发电厂每秒需要十次”。

这正是Focused Energy公司承诺要实现的目标，该公司在德克萨斯州奥斯汀和德国达姆施塔特拥有实验室和办事处。他们计划于2028年至2030年间在德国黑森建造一个激光聚变示范设施，并于2037年在奥斯汀建造首个向美国电网供电的示范电站，名为SuperNova，预计功率300~500 MW。

Focused Energy是在美国能源部的一次竞赛中获奖的八家公司之一，他们将一起分享4600万美元的资助，此外Focused Energy还从德国SPRIN-D(该国负责推动突破性技术创新的政府机构)获得了近5000万美元的支持。

一些专家认为Focused Energy的时间表不切实际。德国亚琛弗劳恩霍夫激光技术研究所所长Constantin Haefner指出：“激光聚变确实潜力很大，但仍然避不开许多技术上的难题。建造一个聚变电站起码要12到15年的时间，而在此之前还需要更多的时间为技术的应用做好准备。”

英国牛津，欧洲联合环(JET)设施的一名工程师正操作机械臂以维护反应堆

与Haefner一样，Laukien也对核聚变的前景持积极态度，但他不认为在2040年之前能够实现激光聚变。他和Gauss公司押注于另一种提出时间更早、经过更多测试的技术路线，即所谓的磁约束聚变，并打算在德国废弃的火电和核电厂内建造他们的磁约束反应堆。

在磁约束聚变中，强磁铁包围着一个大型反应腔室。氢气在里面被加热至形成等离子体。由于磁铁和真空环境的束缚，这团超过1.5亿摄氏度的带电粒子云永远不会与壁面接触。磁约束聚变的目标是升温升压，直到实现聚变点火和正能量增益。ITER也将采用磁约束路线，其目标是在50MW的输入功率下获得500MW的输出功率，相当于一个中等规模的煤电厂。

与激光聚变一样，磁约束聚变最近也取得了若干突破。2021年12月，英国卡勒姆JET设施的科学家们成功产生5秒内输出11MW功率的等离子体，创下新的世界纪录。

无论这些初创公司何时跨过聚变赛道的终点线(如果能够实现的话)，它们都很有可能比ITER这个全球最大、历时最久的项目要快得多。ITER的第一个主要目标是产生稳定等离子体并维持超过400秒，原计划在2018年实现，但2022年末，建造巨型真空室的科学家和工程师们还是找到了焊接和热防护层方面的缺陷。

气候学家表示：“核聚变在应对气候危机方面来得太晚了。”

参与ITER项目的科学家预估修复上述缺陷可能需要数年时间。而且ITER甚至不打算为电网供电，它的任务仅仅是给一个名为DEMO的未来发电厂铺平技术道路。相关科学家一致支持继续完成ITER项目，但代表ITER组织的政府间机构EuroFusion现在提议直接跳过DEMO发电厂。EuroFusion的首席执行官Donné建议专门造一个更小的测试装置，以解决目前最大的挑战之一：找到实现反应堆内氚循环的方法，让发电厂自己就能产生大部分燃料。

核聚变初创公司认为ITER的主要障碍不是科学或技术本身，而是在35个国家之间协调周旋并从政府处获得足够资金。它们声称凭借着精简的机构和私人的资金来源，初创公司可以做得更好。

英国牛津聚变初创公司Tokamak Energy的Stuart White表示“小型组织的优势就是更快、更灵活”。该公司的原型设备占地107,000平方英尺，目前已经达到商业聚变实现的温度极限1亿摄氏度，和ITER比起来更小且更便宜。因此White断言他们将更快建成可商业化部署的聚变能源。

2023.01.05，法国，迪朗斯河畔圣保罗，ITER项目现场人员正在组装一个模块

然而，鉴于仍然存在的困难和不确定的时间表，一些科学家对追求聚变能源持谨慎态度。波茨坦气候影响研究所地球系统分析部的科学家Stefan Rahmstorf表示“核聚变在气候危机中来得已经太晚了”，他觉得现在应该将所有资源都投入到可再生能源和能源效率上。

聚变科学家和企业家们一致同意没有什么能够阻止政府大规模发展可再生能源。Haefner引用欧盟对零排放目标设定的临界点说道：“我们必须聚焦于100%的可再生能源份额，并在2045年之前实现这一目标，以避免未来无法挽回的严重后果。”但他指出，2045年过后，对电力的需求仍将继续增长。

Haefner说，“如果人类想要一劳永逸地解决取暖以及卡车、飞机等燃料需求，比如可以通过电力来实现，那么最好是建造一个始终可用的电力来源。”

碳捕获技术已经接近实现。

Frank Laukien甚至更进一步。他把目光投向了负排放的实现，后者被国际气候变化专门委员会(IPCC)描述为避免灾难性气候影响的关键。Laukien表示，我们不仅要停止使用化石燃料，还要直接从大气中捕捉二氧化碳。“而聚变就是实现碳捕捉的能量来源”。(完)

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