在春節(jié)檔熱映的《流浪地球2》中，人類計劃給地球安裝上萬座巨大的行星發(fā)動機，推動地球開啟“流浪之旅”，而為這巨大機械提供動力的則是重核聚變。“雖然電影中通過燒石頭推動核聚變的方案基本不可行，但人類如果要想走出地球，甚至完成星際旅行，地球上現(xiàn)有的石油、天然氣是不夠的，聚變能是必不可少的。”新奧能源研究院聚變技術研發(fā)中心聚變理論模擬首席科學家謝華生告訴《中國報道》記者，“聚變能屬于未來?！?/span>1952年，世界上第一顆氫彈爆炸實驗成功后，就有預言稱5年內(nèi)人類就可以實現(xiàn)可控核聚變（氫彈是不可控的）。但70年過去了，在核聚變科學與工程曲折探索的高峰低谷中，預言的時間慢慢拉長至20年、30年。去年12月美國能源部下屬實驗室成功實現(xiàn)核聚變激光“點火”，預言時間壓縮為“小于五六十年”。“讓核聚變可控并商業(yè)化”，這一目標還需要人類等待多久？問題的答案似乎正隨著核聚變研究成果的累積而一點點清晰起來。
臨界突破
可控核聚變發(fā)展至今日，似乎到了技術突破的臨界點。
“核聚變是指兩個原子核對撞產(chǎn)生新的原子核的過程，通常這個過程會有質(zhì)量虧損。根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程，這些質(zhì)量會以能量的形式釋放出來，釋放的能量通常是燃燒石油等同等質(zhì)量物質(zhì)的化學反應釋放能量的百萬倍。”謝華生表示。
核聚變是太陽內(nèi)部每時每刻都在進行的反應。從理論上講，相比現(xiàn)有的大亞灣核電站等核裂變發(fā)電站，核聚變?nèi)缒軐崿F(xiàn)商業(yè)發(fā)電，其原料更為豐富，可從海水中獲??；并且也更加安全，核聚變不產(chǎn)生長壽命的放射性廢物，而這正是現(xiàn)行核裂變核電站“令人頭疼”的一點。相比化學能，聚變能也更清潔、低碳、高效。因而，可控核聚變產(chǎn)生的能量也被比作清潔能源的“圣杯”。美國國會議員唐·拜耳說：“核聚變有可能讓世界上更多人口擺脫貧困，其重要性堪比人類發(fā)現(xiàn)了火種?！?/span>讓“太陽”變得可控并不容易，聚變能源每前進一點，都會發(fā)現(xiàn)新的困難。雖然道路曲折，但近5年一些資本正陸續(xù)入局核聚變。據(jù)美國聚變工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)，截至2022年年底，核聚變公司報告的私人承諾投資總額超過47億美元。謝華生分析，資本紛紛入局一方面是碳達峰、碳中和目標使然，人類可持續(xù)發(fā)展需要新能源；另一方面，高溫超導磁體、人工智能等重點技術以及近些年的物理研究取得重大進步，讓投資人看到了核聚變技術突破的希望。他指出，去年12月美國能源部下屬勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)國家點火設施(NIF)首次成功在可控核聚變反應中“點火”，做到產(chǎn)生的能量大于輸入的能量，實現(xiàn)“凈能量增益”，對聚變研究具有重要的歷史意義。聚變工業(yè)協(xié)會 (FIA) 2022年的最新報告顯示，企業(yè)對聚變商業(yè)化的時間表越來越有信心。在接受調(diào)查的公司中，有93% 認為聚變將在 2030 左右實現(xiàn)并網(wǎng)，高于 2021 年報告中的 83%。各國角力
△ 在法國建設中的國際熱核聚變實驗反應堆項目（ITER）。中國的可控核聚變探索從21世紀初步伐加快。2006年，中國正式加入國際熱核聚變實驗反應堆項目（簡稱ITER）。該項目被稱為“世界上最大的核聚變項目”，在該項目中，除歐盟東道主外，其他成員國只需出資9%便可共享所有的知識產(chǎn)權?！斑@對中國來說是一個很好的機會。”謝華生說。同年，被譽為“人造太陽”的東方超環(huán)（簡稱EAST）正式建成，成為我國自行設計研制的國際首個全超導托卡馬克裝置。ITER由于涉及多國合作，項目規(guī)模巨大，一直進展緩慢，但中國核聚變探索卻在飛速前進。“在中國加入ITER項目的十幾年里，中國是增長最快的力量，已經(jīng)從跟跑、并跑，逐步進入領跑階段?！敝x華生向記者介紹，在單點技術上，中國甚至做到了國際領先。例如，2021年12月30日EAST實現(xiàn)了1056秒超脈沖高參數(shù)等離子體運行。總體而言，中國在國際主流的慣性約束和磁約束核聚變裝置方面均有布局。在慣性約束技術路徑上，更多與軍事國防相關，主要是由中國工程物理研究院（九院）在實驗探索。不過謝華生指出，因為慣性約束是脈沖式發(fā)電，很難實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)放電，以此技術路徑實現(xiàn)商業(yè)發(fā)電的可能性很低。去年美國便是通過慣性約束成功實現(xiàn)“點火”，但在192束巨型激光轟擊下，聚變的原子核不過釋放出3.15兆焦耳的能量?！?兆焦耳大概是一度電，現(xiàn)在電價大概2毛錢一度電，也就是說數(shù)萬美金起步的一次轟擊，最后可能只能賣2毛錢，并且激光射出一炮后，設備還需要清理和重新安裝聚變靶丸才能下一次試驗，單次發(fā)電的性價比太低?！敝x華生說。因而可以實現(xiàn)總穩(wěn)態(tài)、連續(xù)運行的磁約束，成為主流的聚變能源裝置選擇，托卡馬克裝置是其中代表。韓國亦是磁約束聚變裝置的開拓者，發(fā)展?jié)摿Σ蝗菪∮U。謝華生介紹，中韓兩國的超導托卡馬克技術差別不大。在這一方面，兩國既有競爭也有合作。總體量上，中國的研發(fā)力量更具優(yōu)勢，在個別成果方面，韓國的托卡馬克也有一些尖端突破。2022年，韓國首爾國立大學的Yong Su Na和同事在全球影響因子最高的兩本期刊之一《自然》上發(fā)表文章，介紹他們KSTAR裝置新的約束模式，實驗中該裝置核聚變反應在超過1億攝氏度的溫度下穩(wěn)定持續(xù)了30秒。一位核聚變領域的投資人士告訴《中國報道》記者，現(xiàn)在可控核聚變綜和技術實力最強的是美國，特別是在激光慣性約束領域。國際原子能機構（IAEA）統(tǒng)計了截止2021年全球聚變裝置分布，一共133個，排名第一的是美國，其次是日本、俄羅斯和中國。謝華生認為，現(xiàn)在可控核聚變的突破，最需要解決的核心矛盾不是各個約束方案，而是核聚變反應本身無法在科學可行、工程可行和商業(yè)可行之間取得平衡。他指出，目前從物理科學層面最容易發(fā)生反應的是氘—氚聚變，但該方案在工程和商業(yè)層面很難實現(xiàn)。氘在海水中分布甚廣，儲量巨大，但氚的資源有限，年產(chǎn)量約幾千克到幾十千克，主要從裂變堆中產(chǎn)生，如此產(chǎn)量連一個規(guī)模大點的聚變電站都維持不了，并且氚的半衰期短，有一定放射性。反應后的產(chǎn)物能量大都由極高能的中子攜帶，這些中子很容易打壞裝置，且暫沒有適合的材料能夠防護。其他的反應方案，如氘-氦3依然存在原料問題，氦3在地球上的儲量有限（目前已知月球上有較高儲量氦三），價格昂貴；氘-氘聚變雖然沒有原料不足的問題，但同樣存在反應產(chǎn)物高能中子會把裝置打壞的問題；氫-硼11聚變在商業(yè)化方面比較理想，原料充足，唯一的缺點是反應發(fā)生的物理要求太高。謝華生認為，想要打破僵局，需要從工程和物理兩個層面同時著手，一方面提高工程技術水平；另一方面把物理約束做到極致。雖然仍面臨諸多困難，但受訪者對核聚變的未來均保持樂觀。上述核聚變領域的投資人士告訴《中國報道》記者，看向未來，可控聚變能的實現(xiàn)方式不止一種。除了大型的聚變電站之外，還有一些小型化、低成本方案會有很大的發(fā)展空間，例如一些磁鏡、場反位型等線性裝置。謝華生觀察到，他在參加核聚變國際會議時，國外的參會者大多五六十歲，而中國更多的是年輕人。某高校的核聚變方面博士生也告訴記者，在專業(yè)選擇時，核聚變相對于核專業(yè)的其他方向更受歡迎。
“中國核聚變追趕世界前沿的勢頭非常猛，但我們原始創(chuàng)新的能力仍需加強。未來是否有可能提出一個全新的聚變方案，實現(xiàn)彎道超車或者來引領世界，值得期待?！敝x華生表示。 撰文：《中國報道》記者 李士萌
圖片來源：網(wǎng)絡
責編：張利娟
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