乐百家赢网 英国拟建全球首个商用聚变发电厂,有意外也有惊喜

 更新时间:2020-01-08 12:15:18

乐百家赢网 英国拟建全球首个商用聚变发电厂,有意外也有惊喜

乐百家赢网,【文/观察者网专栏作者 聚变星辰】

10月3日,英国政府宣布将投资2.2亿英镑在2024年前完成聚变电站的概念设计,并于2040年前建成,项目取名为“能源生产用球形托卡马克”(step, spherical tokamak for energy production)。10月11日,英国《自然》杂志报道了这一新闻,指出英国政府近日宣布,将投资2亿英镑(约合人民币19亿元),用来预研全球首个商用聚变发电厂,希望到2040年实现聚变能源的商业化。

这个消息对聚变能源研究的行业内部人士来看,既有意外,又有其合理性,同时也是一种惊喜。意外和惊喜在于,甚至3个月前,连该项目的负责人都未料到能得到这么大的支持,并且这么快。合理在于,全球聚变能源研发进入了新的热潮期,各国竞争激烈,期望第一个获得这一终极能源的“圣杯”。

英国此次宣布的路线是采取球形托卡马克方案。所谓的球形托卡马克是一种低环径比的托卡马克装置。从形状上看,传统托卡马克像轮胎,而球形托卡马克更像是去了核的苹果,因此它比传统托卡马克更紧凑。的确,与传统托卡马克相比,球形托卡马克具有高磁压比的特点。磁压比是指等离子的压强与磁场的压强的比值,值越大代表维持同样的聚变等离子体温度、密度需要的磁场越小,从而维持磁场用的线圈耗能更小、更经济,更有希望实现商业化聚变能源。

但与此同时球形托卡马克的研究尚并不充分,风险也更大,是否能达到商业聚变的目标尚有许多不确定性。step项目采用这一技术路线,也符合英国在球形托卡马克研究上的坚实研究基础。全球第一个球形托卡马克装置start(small tight aspect ratio tokamak,小紧环径比托卡马克)就是1990年在英国建成的,并首次验证了该位形的高磁压比等优良特性。目前全球两个最大的球形托卡马克之一的兆安培球形托卡马克(mast,见图一),就在英国的卡拉姆(culham)聚变能源中心,另外一个是美国普林斯顿等离子体物理实验室的国家球环实验(nstx)。此外,英国的聚变私营企业托卡马克能源(tokamak energy)公司的方案也是基于球形托卡马克,并建造有st40装置(图二),该公司核心人员也是来自卡拉姆的团队。

图一 位于英国卡拉姆聚变能源中心的兆安培球形托卡马克装置mast,该装置大半径0.9米,小半径0.6米,中心磁场0.55特斯拉,加热功率5兆瓦,等离子体电流1.3兆安培

图二 托卡马克能源公司的st40球形托卡马克装置,在2018年的实验中宣称温度达到了1500万度

受英国脱欧的影响,近年英国聚变研究经费一直不稳定。step项目的出现比较特殊,可谓是7月底上任的新首相鲍里斯•约翰逊在8月份参观卡拉姆聚变能源中心后一力促成。英国政府的大力支持,甚至导致在10月初政府宣布2.2亿英镑的(注意,《自然》杂志上提到的是2亿英镑,略有不同)预研经费时,step项目尚无方案细节。由于该项目依然由卡拉姆聚变能源中心作为负责机构,猜测该方案会以其原有的start、mast两个装置作为基础进行设计,以使得装置性能参数从原来的实验装置再大幅提升到能作为能源产生的装置。

目前,由于科学家的推动、公众的期待、政治家和商业投资人的支持等多方面因素,全球聚变能源进入新一轮研究热潮。事实上,此次英国政府宣布“拟建全球首个商用聚变发电厂”,也不是第一个这样宣称的。除了国际热核聚变堆iter项目外,中国也在推出自身更进一步的聚变路线,并已经在预研中国聚变工程试验堆cfetr(图三)。cfetr采取i期工程验证,ii期示范验证,最终建造聚变电站的三步走路线,是全世界第一个有完整细节的定位超过iter项目的聚变研究计划。

图三 中国磁约束聚变发展技术路线图,li&wan, journal of fusion energy, 2018

除此之外,全球范围内有越来越多聚变私营企业入局,都从不同的角度宣布了自己的路线图,比如较大的有美国的tae技术(tae technologies,原名“三阿尔法能源”)公司、联邦聚变系统(commonwealth fusion systems)、洛克希德马丁公司,加拿大的通用聚变(general fusion)公司,英国的曙光聚变(first light fusion)公司及前文提及的托卡马克能源公司等等。另外值得一提的是中国的新奥集团于2018年对外宣布将开展紧凑型聚变研究,目标是力争在未来三十年内实现聚变能源商业化。这是国内第一家研究聚变能源的私营企业。新奥于今年(2019年)8月建成并放电了“玄龙-50”,这也是一座球形托卡马克装置。中国另一个在运行的较小的球形托卡马克是2002年在清华大学工程物理系建成的sunist“中国联合球形托卡马克”。

聚变反应作为能源的概念可行性在上世纪三十年代就已经比较明确,人类现在使用的化石能源、太阳能、水能、风能等绝大部分的能源,本质上都是来自太阳作为恒星的聚变能。人类已经在上世纪五十年代实现基于核聚变的武器氢弹,它是一种不可控的巨大能量释放装置。人类近六十多年来一直期望能实现一种可控的、经济的、源源不断放出聚变能量的能源装置。这需要采取三步走的路线,第一步实现科学可行性,即建造的装置聚变产生的能量要大于维持装置运行所输入的能量;第二步是验证工程可行性,即建造的装置在持续放能过程中能稳定运行;第三步是实现商业可行性,即聚变发电的成本足够低,具有足够的经济性。上世纪九十年代末,美国的tftr、英国的jet和日本的jt60,三个托卡马克均接近了聚变科学可行性的临界值q=聚变输出能量/输入能量≈1,放出的能量功率超过10兆瓦,一般认为已经验证了科学可行性。正在法国建造,耗资预计超过1000亿人民币,预计2025年放电的目前全世界最大的聚变装置“国际热核聚变堆iter”将进一步大幅提高聚变温度、密度和约束时间等参数,对聚变能源的工程可行性的部分目标进行验证。

人类在地球上试验过的聚变方案已经有几十种,大部分都达不到科学可行性,这也是许多人提出的加速器对撞方案或者地下车库做的静电约束方案并不引起主流聚变科学家特别关注的原因。托卡马克是目前潜在作为聚变能源的装置中性能表现最好的方案。在商业化的道路上,托卡马克方案最大的挑战并不在于等离子体约束性能的提升,而是来自于氘氚聚变。氘氚聚变是最容易发生的聚变反应,反应截面大,需要的温度也低,只需要一亿度左右,但有两个大问题:一,会产生14兆电子伏特的高能中子,目前没有任何材料能够防护,这导致聚变装置不可能小;二,氚的半衰期只12年,大自然没有天然的氚,需要额外的办法去增殖。cfetr会采取厚度超过1米的包层来防护高能中子及进行氚增殖。无中子的先进聚变反应也是聚变科学家在持续研究的方向。比如氢硼聚变就有原材料丰富、无中子等优点。当然,缺点是难度比氘氚聚变大许多,比如温度需要二十亿度以上。这些挑战是包括step在内的所有商业聚变装置所需要应对的。

相较于目前已经实用的核裂变能源,核聚变能源的优点在于原料丰富、无核泄漏风险。因为它需要极高的温度,一旦装置发生泄漏,温度会降下来,反应自动停止。它可以说能够终极解决人类的能源问题、环境问题,甚至人类的和平问题。部分人担心聚变实现后,放出的能量过大,地球会因为热岛效应而崩溃。这个担心是多余的,因为人类消耗的能量能比太阳照射到地球上的能量相当后,早就能实现星际旅行,移民到其他星球。可控核聚变能源是人类星辰大海的梦想的重要保障,这也是几代科学家们研究了几十年依然要研究下去直到实现的源动力。

为了人类这个伟大的梦想,科学家、公众、政治家、企业家等各行各业的人的支持是必不可少的。与美国政府对聚变研究的态度的反反复复相反,英国政府此次对聚变的超预期支持有更多正面启示。聚变研究对中国的意义也非常巨大,除了因为中国能源短缺外,还因为一旦可控核聚变发电在中国首先成功,中国将无可置疑的重新成为了人类文明发展的领导者。中国于2006年加入iter项目后这十几年在聚变研究方面进步极快,已经从跟跑实现了并跑和部分领跑,国内聚变行业的领导者非常有信心在未来实现全面领跑。聚变的研发也有许多“副产品”,它带动了许多产业的发展,比如机械精密加工、超导磁体,甚至国防。

从5年的预研经费投资2亿英镑来看,step装置预期总投资会比国际合作的iter项目和中国的cfetr项目少,不算多也不算少。iter项目及cfetr项目,投资均在1000亿人民币级别。目前最大的聚变私营企业tae技术近十几年总共从风险投资获得的经费接近50亿人民币。相较于聚变能源的巨大前景,这些投资并不算大。对于“聚变能源实现还有三十年,并且永远是三十年”这一调侃,有观点认为,“聚变能源在人类真正需要它的时候就能实现”。

【注:该文只代表作者个人观点。】

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