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核聚变能源: 世纪难题有新玩家

上一篇 作者: 来源: [887期 A34] 更新日期:2016-04-12 下一篇

1920年基于英国物理学家弗朗西斯·阿斯顿的对低质量元素的测量,和爱因斯坦质能关系E=mc的发现,英国物理学家亚瑟·爱丁顿提出了天体中小质量元素聚合放出巨大能量的理论。我们熟悉的太阳就是通过把氢原子聚变成氦原子的核聚变来释放能量的。核聚变的反应产物不像核裂变一样难以处理,反应中产生的中子甚至可以用来处理核聚变核电站的核废料。

1952年,第一个不可控核聚变实验—氢弹试爆成功,大大激发了人们对于实现和利用可控核聚变的热情。尤其在冷战早期,各个大国投入巨资,兴建大型设备,参与到可控核聚变研究的竞争当中。每个国家都想第一个拥有这个可以改变世界能源格局的王牌。

实现可控核聚变不简单

其实人类早已实现核聚变,只是输入的能量大于输出,或发生时间极短。要想产生可以实际利用的核聚变能量,必须能够合理地控制核聚变的速度和规模,实现持续、平稳的能量输出。直到2014年,美国国家点火设施(NIF)的科学家才用激光核聚变装置实现产出能量大于消耗能量的核聚变实验。

实现可控核聚变的思路很简单,就是让较小的粒子在30亿摄氏度的高温环境中相撞,融合成较大的粒子。这个反应会放出巨大的能量。而这个反应的难点在于, 目前没有任何材料可以承受这样的高温,并保持一段时间使聚变反应可以发生。

科学家为此想了很多办法,NIF是用激光约束的办法,而目前最有希望的是一种叫托可马克的磁约束装置。它可以用磁场把高温等离子体约束在一个空间内,不需要与容器直接接触。这种装置往往要有体育场的大小。目前最大的托可马克装置就是欧盟、美国、中国等国家耗资百亿美元建设的国际热核聚变实验反应堆(ITER)。此项目在法国建设,几经推迟和增加投资,目前实验装置最快将于2027开始运营实验。托克马克装置作为科研装置,对于科研界,确实是一个激动人心的进展,但它几乎不太可能
直接成为可控核聚变能源的实现装置。

其实核聚变研究的进展发展并不慢,尤其在1970年代到1990年代,很多国家都拥有托克马克或者其他可控核聚变研究装置。直到现在,可控核聚变的实验输出能量也以每24月一倍的速度在增长,和我们熟悉的集成电路的研究一样,基本保持了摩尔定律预言的发展速度。集成电路的发展带来的生活变化明显,比如几年前的功能手机和现在的智能手机,好像发展速度挺快。政府资金在1970年代推动了核聚变研究领域的飞速发展,可是1990年之后,一些国家已经开始减少对这个耗资费时研究的投入,比起在集成电路上累积数以万亿美元计的投入,人类在可控核聚变上百亿美元级别的投入可能还只是个热身,而且可控核聚变的长跑似乎还要更长一些。

创业公司攻关可控核聚变新玩法
由此看来,似乎要实现稳定可控的核聚变核电站还很遥远。然而国际合作的大型项目不是可控核聚变研究唯一的玩家,还有一批人,以创业公司加投资人的模式参与可控核聚变的研究,给可控核聚变的商用实现带来了新的可能。

今年8月份,科学杂志报道了来自美国加州Tri Alpha Energy公司的科学家们在控制超高温氢等离子体的突破性进展,他们用小型装置实现了将氢气球加热至一千万摄氏度并保持五毫秒,比之前提高了数倍。Tri Alpha Energy 的科学家采用了与大型托克马克实验不同的办法,把硼元素加入到氢燃料中,阻止了反应中放出中子磨损机器零部件,进而取得了突破性进展。

他们的装置只有一个成年人大小,比起巨型的托克马克有着巨大的商用前景。这家公司由加州大学欧文分校的物理博士米希尔·本德鲍尔与他的博士导师诺曼·罗斯托克一起创办,并从微软联合创始人保罗·艾伦旗下风投机构和洛克菲勒家族募集到亿美元资金。他们预计可以在下一代装置中实现十倍于现在的温度。

除此之外,由已故麻省理工学院物理学教授罗伯特· W ·巴萨德建立的非营利组织EMC2 Fusion Development Corporation也在努力推进可控核聚变可行性的研究,他们声称实现了和Tri Alpha Energy 相匹敌的结

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