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厉害了!核聚变发电 民间有高手

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来源:科技日报 时间:2018-05-17 09:51:58 访问:603 次
  很多人认为大型核聚变装置的建造时间长,造价贵,商业化进程不如人意。各国政府主导的核聚变进程让民间高手看不惯了,等不住了,这几年,纷纷踏入核反应圈。

  近日在河北廊坊举行的一次核聚变技术研讨会上,国内知名能源企业新奥集团宣布,未来十年将建一座小型核聚变实验装置。这是首个宣布研发聚变能源的中国民营企业。

  和平利用核聚变被称作“能源的圣杯”。近几年,全世界的民营企业纷纷投建核聚变实验装置,或将有突破带给我们惊喜。与官方的大装置不同,它们实验的是小型核聚变。

  各出奇招,都为了小

  一提到核聚变发电,关键词是“托卡马克”装置——用磁场笼子关锁炽热的核燃料,最著名的实验装置都是这类,包括世界最大聚变反应堆——欧洲联合环形加速器(JET)、先进实验超导托卡马克(EAST)和国际热核聚变实验堆(ITER)计划;除此以外,“惯性聚变”也时常听说,即用强力激光或X射线聚焦,引爆小颗粒燃料,最著名的是美国国家点火装置(NIF)。

  小型核聚变技术,顾名思义,装置更小。它们大多属于托卡马克,但体量上是ITER规模的几十分之一,建设起来快得多,技术路线也是百花齐放。

  三阿尔法能源公司从粒子加速器技术获得灵感,将硼元素加入氢燃料中,吸收了核聚变放出的中子——这些中子会损害设备,使其带上放射性。其C-2U设备将一个氢气球体加热到了1000万摄氏度,保持了5毫秒。

  而通用聚变公司用活塞震荡氢燃料,促使聚变。上世纪70年代美国海军项目将核聚变燃料制成等离子磁化球,在液态金属壳中点燃,活塞负责压缩和点燃核燃料。此项目虽然中止,但有人重拾技术,用加拿大政府的小笔津贴,成立了通用聚变公司。2009年开始,通用聚变公司建造了海胆状的、直径1米的钢球,14个加农炮口尺寸的活塞。反应室四周搅动熔铅,创造出中有空隙的涡流,容纳氢燃料。活塞以每秒50米的速度撞击反应室壁上的插件,发送冲击波穿过熔铅,促发小型核聚变。目前这一设备的压缩系统和燃料注射器还在实验阶段,没有实现聚变。

  美国的劳伦斯维尔等离子体物理装置(LPP),只花了200多万美元,采用苏联上世纪50年代提出的“稠密等离子体焦点(DPF)”路线,电磁场压缩核燃料。核心是两个圆柱形电极,一个包含另一个。外部电极直径18厘米,密封在充满气体的管中。一个电脉冲从外部电极冲向内部电极,产生等离子体环。接着,电流产生的磁场挤压等离子环,成一个微小且致密的球。然后磁场崩塌诱发电场,电子束穿过等离子体,加热到几亿摄氏度高温。目前该设备能达到高温,但粒子密度不够。

  再如英国托卡马克能源公司,首创高温超导体的托卡马克,球形构型来自普林斯顿大学,高温超导体来自麻省理工学院。其ST40反应堆可生成1500万摄氏度的等离子体——太阳中心温度,创造了私企研究核聚变的纪录;第二台反应堆ST25,2015年连续29小时输出等离子体,创下世界纪录。2018年公司想将反应温度再创新高,达到1亿摄氏度。

  美国洛克希德˙马丁公司的臭鼬工厂也从2010年研发紧凑型聚变反应堆,体积将是之前概念反应堆的十分之一,跟大型卡车的拖车一样大。

  群雄逐鹿,草根主导

  1950年代以来,苏联和美国的政府项目都重点研究托卡马克,它形似甜甜圈,用磁场箍束几千万摄氏度的等离子体。

  ITER建成前,英国牛津的JET是最大的托卡马克装置。1997年,JET用2.5万千瓦的输入功率,输出了1.6万千瓦的聚变能,曾鼓舞了科学家建造ITER。

  1985年,欧洲、日本、美国和苏联提议共建ITER计划。2007年,欧盟、中国、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国开始合作ITER计划,在法国南部建造一台托卡马克装置,拥有800多立方米的等离子体腔,磁体重量与一架波音747飞机相当。预计ITER建成后,能产生500兆瓦电力,大约相当于现在的大型核裂变反应堆。该项目前十年执行拖沓,成本超出预算。

  很多人认为大型装置的建造时间长,造价贵,商业化进程不如人意。各国政府主导的核聚变进程让民间高手看不惯了,等不住了,这几年,纷纷踏入核反应圈。

  与官方装置相比,民间装置小而便宜。如应用聚变系统公司建造的两座反应堆主半径只有1.1米,每个价值5200万美元。而ITER造价高达150亿美元。应用聚变公司使用3D打印制造小型、紧凑、可装在航天器上的聚变反应堆,这有利于成本和迭代速度。

  互联网公司的介入也让一些企业获得了更多关注。2011年,加拿大的通用聚变公司得到亚马逊总裁贝佐斯资助,加拿大石油公司Cenovus也支持他们。去年该公司与微软合作,用超算分析实验结果,加速研究。

  三阿尔法能源公司获得微软联合创始人艾伦资助,从俄罗斯国有企业Rusnano等处融到上亿美元资金,还得到谷歌的支持,研发加快等离子体实验的算法。

  有人指出,根据如今的超级计算机模拟,等离子体湍流有别的应对,小反应堆也可行。而基于1997年设计的ITER为了应对湍流,造得过大了。

  而像英国托卡马克能源公司这样的黑马,更是拿出了时间表。“可控核聚变将在未来几年内成为现实,而非数十年后。”该公司首席执行官金汉姆说,他们计划2025年研发出首个新式小型核反应堆,2030年向电网输电。他们的高温超导体小型装置只有几米宽,有利于批量生产。英国政府也资助了这一项目。

  路线待定,中企投资大

  中国在核聚变研究领域实力不凡。去年,位于合肥的先进实验超导托卡马克(EAST)实现电子温度5000万摄氏度、持续时间101秒的稳态长脉冲高约束等离子体运行,创造了新的世界纪录。不过之前还没有中国民营企业主导的实验装置。

  而新奥宣布研发核聚变,是在新奥能源研究院、中国物理学会等离子体物理分会和中国核学会核聚变与等离子体物理学会举办的“紧凑型聚变技术研讨会”上。参会的中国国际核聚变能源计划执行中心罗德隆主任告诉科技日报记者,中国的EAST和国际共建的ITER实验堆,都有中国企业参与制造,但能源企业研发核聚变装置在中国还是首次,这有利于吸引社会力量参与。

  国家“千人计划”专家、新奥集团执行副总裁兼技术委员会主席朱振旗博士说,新奥近十年在清洁能源技术领域锐意创新,已经在煤基低碳能源、泛能网等方面领先国际。小型聚变是迈向无碳能源的颠覆性技术创新,符合能源发展趋势与社会可持续发展要求。

  罗德隆和朱振旗都表示,新奥探索的是紧凑型聚变装置,与EAST、ITER和未来的CFETR(中国聚变工程实验堆)不一样。朱振旗说,新奥的聚变装置将是分布式供能——不仅发电,还要利用放出的热量。

  新奥将用大约两年时间确定技术路线。朱振旗表示,争取用十年时间实现技术突破,并在其后开展示范工作,每年需要投入资金数亿元。为鼓励国内外青年英才参与,新奥将设立一个小型聚变技术的方案竞赛,就现存问题给出创新和颠覆性的创意。参与者可获1万到30万元的奖励,最高奖金达100万元。

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【 责任编辑:赵云蕾 】

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