追逐清洁能源“圣杯”我国离可控核聚变还有多远

来源:等离子熔炼电源    发布时间:2024-02-05 18:54:59
去年五月,当蔚来汽车交付量再创年内新低、饱受掉队质疑,且负债率高达70%时,其创始人兼CEO李斌


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  去年五月,当蔚来汽车交付量再创年内新低、饱受掉队质疑,且负债率高达70%时,其创始人兼CEO李斌却不慌不忙地做出了一个“不务正业”的决定——成立了一家核聚变公司“聚变新能”,总投资9.95亿元。

  近两年,和半导体时代相伴相生的海外风险投资机构,也在争相押注可控核聚变相关企业。根据核聚变行业协会的报告,截至2023年中,全球核聚变行业融资规模增至62亿美元,其中仅2.7亿美元来自政府等公共资金,来自私人、投资基金的资金占据主流。硅谷“创投教父”Peter Thiel、亚马逊创始人杰夫·贝索斯、老虎环球基金,甚至包括Open AI创始人之一的奥尔特曼,都在用真金白银证明着对可控核聚变的信心。

  国内,能量奇点、星环聚能等成立2021左右的企业,同样走上了融资快车道,其中陕西星环聚能已经在近两年拿到了超过6亿元风险投资。

  投资人和海外诸多核聚变企业都给出了乐观预计:世界上首座聚变电厂会在2035年之前成功发电,走上商用之路。

  各方大佬看好的可控核聚变究竟是什么?作为对比,我们大家可以看看现在的核电站,现在的核电站大多采用的是核裂变技术,在较重原子核分裂为较轻原子核过程中获得能量;而核聚变则完全相反,它是两个轻原子核结合成一个较重的原子核,本质上是模拟包括太阳在内的所有宇宙恒星以核聚变原理发光发热、释放出巨大能量的过程。加上现有的人造、可控的核聚变实验装置大多为球形,因此可控核聚变反应设施又被称为“人造太阳”。

  国际原子能机构在一篇文章中曾提到,核聚变每千克燃料产生的能量是核裂变的4倍,比燃烧石油和煤炭产生的能量高出近400万倍。这在电力需求日渐增长的现在,无疑更具吸引力,“如果成功将会是能源领域最重要的一次革命”。

  但是,由于其苛刻的反应条件,可控核聚变技术一直是学界可望而不可及的清洁能源未来“圣杯”;对于产业界,这更是周期长、投入高、不确定性大的赛道。那么为什么头部风投会选择在这个时刻集中参与?事实上,这个决定并不只是因其想象空间巨大,而是因为高温超导材料的颠覆性进步,已经让可控核聚变技术有了关键突破。

  文艺作品中曾多次想象过可控核聚变技术成熟后的场景,《流量地球》中推进地球航行的发动机、钢铁侠维持生命以及各型号盔甲运转的能量来源“方舟反应炉”等灵感均源于此。但回到现实,学者早在长期的研究中意识到,核聚变虽然能爆发出的巨大能量却难以为人类随取随用,这也是为什么核聚变现在在地球上唯一的应用是氢弹——这种不可控的核聚变。

  在讲“关键突破”前,我们还需要再把可控核聚变的工作过程说清楚一点。可控核聚变的物理原理已经很明确,现在的重点在于可控,那为什么核聚变不好控制?

  要知道太阳之所以能不断聚变发热,重要原因主要在于其巨大的引力所产生的极端压力:太阳中心的压力能够达到3300亿个地球大气压,光是太阳表面的温度就能达到6000摄氏度。

  在高温和高压这两大条件的作用下,太阳上的所有原子的物质状态都变成了等离子体——这是一种由正离子和自由移动的电子组成的高温带电气体,它们不再受原子核的束缚而随意飘散,同时具有不一样于固体、液体和气体的独特性质。整个太阳其实能够理解为一个温度很高的大气团,在太阳内核中还充斥着游离的质子和电子,因此核聚变才会无时无刻发生。

  在地球上,我们用于核聚变反应的是氢的两种同位素,即氘(重氢)与氚(超重氢),分别比氢多一个中子和两个中子。想在地球上完全模拟太阳环境可谓是难上加难,所以为实现核聚变,原子核必须在超过1000万摄氏度的极高温度下相互碰撞,才能够克服相互间的电排斥力,并进入彼此非常接近的范围。一旦进入这个范围,它们之间的核力吸引力才能超过电排斥力,从而使它们实现聚变。

  理论上,只要有几克氘与氚的反应物,就非常有可能产生一太(万亿)焦耳的能量——这已经是欧美等发达国家一个人60年内所需要的全部能量。可想而知,这么大能量的粒子光是在反应装置里相互碰撞所产生的热度,就足以融化地球上现有的任何一种材料。

  想让等离子体产生聚变反应,必须将其约束在高温、高压条件下,因此可控核聚变有了两条实现路径,一条是惯性约束路线,通过压缩聚变燃料至极高密度来实现;另一条则是磁约束路线,即将燃料加热至上亿摄氏度高温,形成等离子体气体,从而发生聚变反应,这也是现在的主流选择。

  但这两个技术路线都要解决一个共同的问题,那就是众多原子核必须被约束在一个小空间内。因此,如何为聚变反应打造一个容器成为最关键的工程挑战。

  在磁约束路线中,目前最成熟的、可拿来实现可控核聚变的容器是发明于上世纪50年代的“托卡马克”(Tokamak)。名字虽然有点怪,但其形状可爱类似于甜甜圈,原理是用磁场将带电的等离子体全部约束在环形真空室的中心,使其始终与反应堆壁隔开,从而确保容器不被融化。最后,容器里循环的冷却水系统将带走聚变反应产生的热量,并用于发电。

  托克马克经常使用的是电阻为零的低温超导材料来产生强磁场,这样电流通过超导线圈不接触、不发热,也就无需因为传统线圈过热而间歇运行。从聚变性能来说,托克马克是其他方式的2到4个数量级;但从经济性角度看,由于其系统非常庞大复杂,低温超导电流密度又比较低,需要大型装置才能来测试,资金投入巨大,一般的商业机构难以承受。

  以国际热核聚变实验堆为例,它是世界上最大的核聚变实验装置,用的是由低温超导材料打造的托卡马克。这个托克马克近30米高,重达2.3万吨,虽然因为种种原因一直没运行过,但投入已超越200亿美元。

  直到高温超导材料出现突破性进展,产业界才看到了商用化的曙光。电流密度高、比同体积低温超导磁场更强的高温超导材料“钇钡铜氧”体系,已经能让建造和运行成本实现大幅降低。

  2021年9月,美国核聚变商业公司CFS和MIT宣布成功研制出全球首个基于高温超导材料的聚变装置磁体并通过测试,磁场强度达20特斯拉,最重要的是,投资规模已经降到数十亿,每一代装置的生产建设周期只需要两三年,风投机构因此涌入核聚变行业抢位。

  不过学术界还没这么乐观,毕竟反应堆壁能经受极端环境考验只是技术挑战的第一关,可控核聚变发电还要怎么保证核聚变产生的能量能高效转化为电力输出,且有净增益,即输出能量大于输入能量;第三关就是让这个核聚变过程可持续发电。除此以外还有一些更具体的技术难点,比如怎么在燃料消耗后及时补充等等。

  市场资金的加入,或许让上下游的革新效率更快,但不能改变现在可控核聚变还离商业化较远的现实。

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