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      “人造太陽”照亮地球還要多久?

      所屬分類:時事聚焦    發布時間: 2022-12-22    瀏覽次數:316

       【深瞳工作室出品】

        采 寫:本報記者 操秀英

        策 劃:陳 瑜

        隨著核聚變研究的不斷深入,我國很多相關技術獲得突破。在科技創新越來越需要協同作戰的今天,發揮新型舉國體制優勢,更有耐力、能長期投入的“國家隊”和更靈活、試錯成本更低的民營企業發揮各自優勢,密切合作,推動形成良好創新生態。

        核聚變領域又獲重要突破。

        有史以來第一次,人類實現了核聚變反應的凈能量增益——北京時間12月13日23時,美國能源部宣布,其下屬勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的一個團隊12月5日在國家點火設施(以下簡稱NIF)進行了歷史上第一次可控核聚變實驗,實現了“核聚變點火”,該反應產生的能量超過所消耗的能量,獲得了“能量凈增益”(Q>1)。

        倫敦帝國理工學院慣性聚變研究中心聯合主任杰里米·奇滕登(Jeremy Chittenden)評價稱,這是一件大事,但僅“相當于燒開10壺水”的水平,為了使這項技術能夠發揮發電站的作用,還需要多得多的能源。

        盡管因此歡呼人類離實現可控核聚變商用又進一大步還為時尚早,但該事件再次引發人們對核聚變的關注。

        今年10月,我國新一代“人造太陽”托卡馬克裝置(HL-2M)等離子體電流突破100萬安培(1兆安),創造了我國可控核聚變裝置運行新紀錄。

        與此同時,核聚變工業協會(FIA)一項統計顯示,全球有超過30家公司正在致力于實現核聚變的商業化,目前這些公司已共計獲得了超過50億美元的融資。

        持續的重大技術突破,日益活躍的資本活動,“人造太陽”持續升溫。這一次,“人類距離實現可控核聚變永遠還有30年”的段子會被改寫嗎?

        終極能源不易得

        核聚變被稱為清潔能源的“圣杯”。它是模仿太陽的原理,使兩個較輕的原子核結合成一個較重的原子核,結合期間釋放出大量能量。與化石能源相比,核聚變反應不排放二氧化碳,與目前廣泛應用的核能(核裂變)相比,核聚變既不會產生核廢料,輻射也極小。

        如果能夠制造一個“人造太陽”用來發電,人類就能夠徹底實現能源自由。

        上世紀末,國際能源署給能源領域的2000個科學家發了一份調查問卷,其中一個問題是“人類的終極能源是什么”。最終,約20%的人寫了“可再生能源”,剩下近80%的回答,都是“核聚變”。

        但這條路不好走。

        在核裂變的方向上,人類研究出了原子彈;在核聚變的方向上,氫彈得以誕生。原子彈試爆成功9年后,人類就掌控了核裂變的能量,并用于發電。而人類自1952年第一顆氫彈試爆成功開始,就踏上了可控核聚變的研究之路,可直到70年后的今天,依然無法掌控這種巨大的能量之源。

        難在“可控”二字。具體來說,科學家需要在實驗室環境內創造出像太陽那樣的極高溫、高壓的環境,才能讓燃料加熱到離子化產生聚變。如何讓等離子體加熱到1億度呢?地球上最耐熱的金屬幾千度就熔化了,用什么容器能將核聚變幾萬個幾千度的等離子體“裝住”?又如何讓這高溫的等離子體發出電來呢?這些都是可控核聚變需要解決的難題。

        因為太難,在科學家們的預言中,距離實現可控核聚變永遠“還要30年”。

        各國都在“種太陽”

        困難從不是科學家停止探索的理由。

        20世紀中葉,蘇聯科學家研制出了一種利用磁約束來實現可控核聚變的環形容器。這種名為托卡馬克的裝置,為可控核聚變技術的突破打開了一扇大門。

        同一時期,物理學家將愛因斯坦的“受激輻射”理論變成現實,激光出現了。這一重大發明有力推動了相關技術的發展,也使可控核聚變研究有了一種新手段——慣性約束核聚變。

        目前,磁約束核聚變與慣性約束核聚變被認為是實現可控核聚變的兩種重要方式。磁約束核聚變這一路線的主攻方向是以國際熱核聚變實驗堆(ITER)和歐洲聯合環狀反應堆(JET)為代表的托卡馬克裝置。NIF則是基于慣性約束核聚變原理的代表裝置之一。

        從全世界范圍看,磁約束是實現可控核聚變更主流的方案?!胺N太陽”,托卡馬克裝置被寄予厚望。

        上世紀90年代,美歐日先后建成3個大的托卡馬克裝置,均實現在三五秒鐘的時間內維持核聚變反應,且可重復。這意味著,科學上的可行性在實驗中得到了驗證。

        整體而言,不論是經濟投入還是科學難度,磁約束核聚變研究都是一項難度太高的項目,需要國際合作。1985年,美蘇牽頭啟動國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃,這是目前世界上最大的核聚變計劃。由于牽涉國家利益較多,直到2006年,ITER反應堆正式啟動建設,目的是由中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯、美國等七個成員方在法國共同建造一個托卡馬克型聚變實驗堆,探索和平利用聚變能發電的科學和工程技術可行性。

        ITER最終目標是以50兆瓦的輸入功率,從反應堆持續獲得500兆瓦的巨變功率——相當于一個中型燃煤電廠的規模。

        中國可控核聚變的研究與世界幾乎同步。

        上世紀50年代,中國開啟核聚變研究。1965年,我國在四川樂山建成核聚變研究基地——西南物理研究所(今中核集團核工業西南物理研究院)。

        1984年,中國環流器一號(HL-1)的建成,被認為是我國核聚變研究史上的重要里程碑。這是中國核聚變歷史上的第一座大科學裝置,為中國自主設計、建造、運行“人造太陽”培養了大批人才,積累了豐富經驗。

        上世紀90年代,我國用羽絨服、牛仔褲、瓷器等生活物資,換了蘇聯價值1800萬盧布的t-7的半超導托卡馬克裝置。1994年,更名為“ht-7”的大科學裝置成功研制,中國成為繼俄、法、日之后第四個擁有超導托卡馬克裝置的國家。

        如今,中國已有多座成功運行的國產托卡馬克裝置 。

        其中,中國自主設計的東方超環EAST,是世界首個全超導托卡馬克裝置,坐落于中國科學院合肥等離子體物理研究所。

        2021年12月,EAST實現1056秒的長脈沖高參數等離子體運行,這是目前世界上托卡馬克裝置高溫等離子體運行的最長時間。

        中國國際核聚變能源計劃執行中心主任羅德隆在接受科技日報記者采訪時表示,總體而言,目前包括ITER在內,聚變能正處在開發階段。要想真正實現聚變能的商業應用,需要克服高溫(超過上億度)等離子體約束、承受高溫及強輻射聚變材料和聚變燃料(氚)循環增殖三大難題。

        資本聞風而動

        “國家隊”快馬加鞭的同時,資本和私營企業也迅速跟進,他們希望能更快造出可用、成本適中的設備。

        四五年前,可控核聚變這一投資方向就已出現在中科創星創始合伙人米磊的投資方向PPT中。

        “沒想到這么快就等到了投資機會?!泵桌谔寡?。

        2022年2月,星環聚能創始人陳銳和清華大學工程物理系副教授、星環聚能技術發明人譚熠到米磊辦公室與他聊了兩個小時?!拔覀円恢痹谔接懠夹g,聊完后,就決定投了?!泵桌谡f。

        機會源于過去幾年核聚變領域的技術突破。

        米磊認為,科學理論已經證明可控核聚變的可行性,近些年高溫超導技術的突破,讓可控核聚變的建設成本大幅壓縮,給了創業企業機會。

        能量奇點能源科技(上海)有限公司的官網稱:過去十年,隨著高溫超導應用技術、先進等離子體物理、人工智能和高性能計算等多領域的技術突破,人類已首次基本具備了實現聚變能源商業化的科學條件。

        “磁約束核聚變是一個龐大的涉核工程,涵蓋的技術領域太多,包括電、磁、真空、微波、材料等眾多學科,隨著聚變研究的不斷深入,我國有很多相關技術獲得突破,其中最明顯的是超導技術?!绷_德隆說。

        這些突破讓中小型核聚變裝置建設成為可能。

        羅德隆舉例說,英國托卡馬克能源公司利用高溫超導強磁場技術研發的小型聚變裝置只有幾米寬,可實現批量生產;美國聯邦聚變系統公司(CFS)采用3D打印技術制造小型緊湊的聚變反應堆,用于航天器的能源供應;微軟、亞馬遜、谷歌等互聯網公司將超算技術應用于理論模擬和實驗結果分析,加速聚變研究等。

        資本聞風而動。

        2019年,名為“能源生產球形托卡馬克”(STEP)的項目在英國啟動,最初5年投入2.22億英鎊用于設計開發。負責監督這項工作的英國原子能管理局表示,STEP最早可能在2032年開始建設,2040年開始運營。

        同年,加拿大公司General Fusion獲得了一筆高達1億美元的投資。據稱,這只是總計1.92億美元的大額交易的一部分,實際數字可能更高。

        2021年,美國清潔能源公司Helion Energy宣布完成5億美元的E輪融資,另外還有17億美元的承諾與特定的里程碑掛鉤。

        也就是在這一年,核聚變領域收到迄今為止最大的一筆私人投資。CFS從包括老虎環球管理和比爾·蓋茨在內的投資者那里獲得近20億美元融資。投資方希望將核聚變商業化,并在2030年初將其并入電網。

        《華爾街日報》援引業內人士的話稱:“一波又一波的資金涌入到核聚變領域當中,這正是核聚變工業擴張的信號?!?

        在國內,2016年,河北新奧集團股份有限公司開始探索核聚變技術,并于2019年實現球形托卡馬克聚變實驗裝置——新奧“玄龍-50”第一次等離子體放電,正式啟動物理實驗。

        今年上半年,星環聚能、能量奇點這兩家成立不足1年的商業可控核聚變企業被投資機構爭搶,相繼完成數億元首輪融資,投資方囊括了順為資本、中科創星等十余家國內資本。下半年,核心成員脫胎于上海交通大學高溫超導團隊的翌曦科技完成5000萬元種子輪融資,本輪融資由中科創星領投,合力投資、泓昇基金等跟投。

        “spaceX時代”已到來?

        “實現可控核聚變是中學時代就萌發的人生夢想?!弊T熠說,從事了20年聚變研發,非常清楚可控核聚變面臨的大量困難,但隨著認識的深入,也意識到這些困難并非無法克服。

        星環聚能的技術來自運行了20年的清華大學球形托卡馬克探索裝置SUNIST。目前,星環聚能已完成與清華大學合作的球形托卡馬克主機裝配,即將開始各項調試?!霸讷@得監管部門相關的許可文件之后,將爭取盡快開始運行?!弊T熠說 ,有緊迫感,競爭壓力明顯。

        今年3月份,能量奇點就在其公眾號中宣布,與我國可控核聚變領域的主力軍中核集團核工業西南物理研究院簽署了協議,雙方計劃共同研發全球首臺基于全高溫超導磁體的托卡馬克,以實現長時穩態運行的科學和工程目標。

        在米磊看來,當下的可控核聚變,很像幾年前的商業航天領域?!耙粋€新的方向,肯定有很大風險,但必須有人去嘗試?!泵桌谂e例,美國航空航天局(NASA)沒有做可回收火箭,但太空探索技術公司(spaceX)做成功了,持續引領著太空領域的商業化。

        確如米磊所說,埃隆·馬斯克創辦的spaceX,用比NASA少得多的經費和快得多的速度開發出了可重復使用的運載火箭,極大地降低了太空運輸的成本,開創了載人航天的私營時代。

        這不是他一個人的觀點。加拿大核聚變公司GF的首席執行官莫里(Mowry)甚至認為,“聚變行業的spaceX時刻”已經到來。

        從投資人角度看,米磊說,一旦實現商業化,可控核聚變的邊際收益將足夠高,即使失敗,對國家和團隊來說也會有很多收獲,“培養了人才,積累了專利、技術和經驗?!?

        米磊還從更高層面看待創業企業的加入?!霸诳萍紕撔略絹碓叫枰獏f同作戰的今天,正如中央所強調的,我們需要發揮新型舉國體制優勢,讓更有耐力、能長期投入的‘國家隊’和更靈活、試錯成本更低的民營企業發揮各自優勢,密切合作,形成良好創新生態?!?

        “由民營企業主導的緊湊型項目較為靈活,可快速適應不斷涌現的新技術和新發現?!绷_德隆說,通過技術融合創新,發展不同的可控核聚變方法和設計理念,更新迭代速度快,商業化成本低,對實現核聚變領域核心技術突破和加快核聚變商業化應用進程具有重要的推動作用。

        華中科技大學電氣與電子工程學院聚變與等離子體研究所教授張明也表示,民營資本目前主要以投資核聚變新路線為主。目前新的核聚變路線雖然也面臨很多問題,但若能在新路線的探索過程中發現新的物理機制,與現有路線有機結合,亦可為核聚變能研發提供新的思路。

        譚熠表示,引進民間資本,還有很重要的一點,希望建造一個核聚變人才的蓄水池。

        粗略估計,我國每年畢業的磁約束核聚變方向博士生大約100名。

        譚熠坦言,自己所在實驗室每年培養的學生里,很多轉行公務員、其他技術領域甚至金融?!叭绻麤]有對口且較為體面的就業機會,大家轉行是可以理解的。但正如中國工程院院士李建剛特別擔心的,如果有一天國家決定建設中國的聚變商業堆,人都叫不齊怎么辦?”

        “隨著民間資本加入,核聚變方向變得更加有吸引力,也能夠讓有夢想的人在實現夢想的路上走得更遠一些?!弊T熠表示,希望大家在做這種有風險的事情時,能夠獲得體面的報酬,少一點后顧之憂,大膽地往前沖。

        “目前我國在核聚變理論、實驗和工程領域仍然存在較大的人才缺口?!绷_德隆也表示,民營資本的加入,可以充分發揮工程能力優勢,助力構建一個科學合理、布局全面的磁約束核聚變科學與工程研究和技術研發的人才培養體系。

        無論如何,人類追逐“終極能源”的腳步越來越快。蘇聯物理學家、托卡馬克之父列夫·阿齊莫維奇(Lev Artsimovich)說過一句至理名言:“當整個社會都需要的時候,聚變就會實現?!?

        這一天,或許不再遙遠。

        李建剛則堅信:“在我的有生之年,一定有一盞燈能被聚變之能點亮。這一盞燈,一定要,也只能在中國?!?