聚變技術快速迭代人類離能源自由還有多遠_風聞
资钛-51分钟前

一種終極能源正在從科幻變成現實。
如果兩個原子核相互碰撞發生聚變反應,就會釋放巨大能量,將能量收集、利用,讓其發電,商業價值不可限量。這就是資本市場上被熱捧的可控核聚變概念,有人稱之為終極能源。因為與常規能源相比,它有數量級上的優勢。
“可控核聚變帶來的不是量變,而是質變,它可以推動人類文明進程的躍遷。”新奧能源研究院院長劉敏勝説。
可控核聚變的技術路線有多條,以燃料角度有氘氚聚變、氫硼聚變,以約束角度有磁約束、慣性約束、激光約束等等。目前不少專家認為,現有技術路線中最具有商業化應用可行性的是氫硼聚變,因為其燃料豐富易得,成本低,安全環保,能高效直接發電。
神奇的聚變
與可控核聚變相比,目前所有的能源都算是常規能源。
從反應原理上看,煤炭、石油是將化學能轉化為電能,風電是將風的動能轉化為電能,光伏是將光能轉化為電能,而核聚變是將核反應中的質量虧損轉化為能量,進而轉化為電能,遵循的是質能方程(E=mc²)。
西安交通大學物理學院教授趙永濤介紹:“從當量上來講,一次核反應或者一次核聚變釋放的能量,比一次化學反應釋放的能量高100萬倍,甚至更多。所以一旦核反應起來或核燃燒起來,那比化學燃燒的功率要大得多。”
核聚變的前提是兩個較輕的原子核克服相互之間的庫侖力,發生碰撞,聚成相對較重的核,在此過程中會損失質量,轉變成能量。氘氚聚變是核聚變的典型反應,一個氘原子核和一個氚原子核結合,變成一個氦原子核和一箇中子,以及能量。
這個能量是巨大的,氘核質量為2.0141u(原子質量單位),氚核質量是3.0161u,氦核質量4.0026u,中子質量為1.0087u。此聚變反應中的質量損失是0.0189u,按照E=mc²來計算,對應能量約17.6MeV(兆電子伏)。無數的原子核相聚合會疊加指數級的能量。人類對核聚變的應用分為可控與不可控,氫彈屬於不可控,如果利用核聚變的能量來發電,即是可控核聚變。
與核聚變相對應的核裂變,早已實現了商業化,典型的是核電站。裂變的原理與聚變相似,只不過是“反着來的”,它是由一個重原子核(如鈾-235)分裂成兩個中等質量原子核(如鋇和氪),同時釋放中子。核裂變過程中也有質量虧損,轉化為巨大能量。
核裂變的反應條件相對寬鬆,不需要高温高壓。核電站通過緩慢的鏈式反應穩定地釋放核能,這些能量被用來加熱水併產生蒸汽,進而推動發電機的輪機轉動,最終轉化為電能。
核聚變的反應條件卻相當苛刻,需要上億的温度以及足夠高的壓力,形成高密度等離子體,同時還要通過某些手段對等離子體形成約束。
走在商業化的路上
但直至目前,可控核聚變仍停留在實驗階段,而絕大多數實驗僅已證明其科學可行性,並沒有驗證其商業性。但有一種聚變路線已經顯現出商業化潛質。
以氘氚作為燃料的聚變,氚的成本高,有輻射。氫硼聚變由氫原子核和硼原子核發生聚合反應,生成氦原子核,即α粒子,無中子。氫硼在自然界中儲量豐富,具備經濟性,α粒子穿透力小,具備安全性。
新奧集團經過廣泛調研,選擇了氫硼聚變的路線。早在2017年新奧就開始了聚變商業化技術研發,佈局球形環氫硼聚變技術。
新奧聚變實驗首席科學家石躍江表示:“新奧的目標明確,就是要實現聚變能源的商業化。我們的研究都圍繞着這個目標,制定了嚴格的計劃和時間表。2035年我們要驗證氫硼聚變商業化可不可行,從那個時間點倒排。我們要做四個裝置,每個裝置的時間節點是多少,目標是什麼,都是很清楚的,一環扣一環,所以我們的裝置迭代升級非常快。”
據瞭解,2018年10月至2019年8月,新奧建成“玄龍-50”裝置,這是一箇中等規模的球形環物理實驗裝置。它的電流驅動曾達到170kA,創造了電子迴旋波(ECRH)無感驅動世界紀錄。
2023年7月至2024年1月,“玄龍-50”升級為“玄龍-50U”。升級後的“玄龍-50U”參數指標提升10倍以上,並在2025年實現了百萬安培、4千萬攝氏度氫硼等離子體放電,以及1.2特斯拉強磁場穩定運行1.6秒的世界紀錄,驗證了高參數氫硼等離子體的可實現性。同時,新奧並行啓動了更高參數的“和龍-2”建設,探索解決氫硼聚變中的關鍵技術問題。項目預計2027年建成。
仍需全球努力
在全球核聚變領域,對於技術的探討都是開放的。
7月14日,新奧集團主辦的第三屆氫硼聚變研討會匯聚了中、法、德、美等11國近50家頂尖科研機構專家及國際熱核聚變實驗堆計劃(ITER)特派代表。
“聚變能源代表着人類的未來,作為前無古人的複雜系統科學與工程,需要我們以前所未有的力度去開放合作,以前所未有的勇氣去創新突破。”劉敏勝説道。
國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃對外發言人拉班·科布倫茨(LabanCoblentz)也認為,“作為全球最大的聚變實驗平台,ITER計劃匯聚了來自全球的幾萬名科研人員開展國際協作。新奧在球形環氫硼聚變領域的積極探索,是對全球聚變科研發展的重要貢獻。ITER未來希望加強與私營企業的合作,攜手推動全球聚變科技加速發展。唯有通力協作,才能使關乎人類未來命運的聚變事業穩步向前。”
但氫硼聚變現在仍有一些難題需要突破,例如氫硼聚變的理想反應温度超過10億度,目前還遠遠達不到。不過,“通過非平衡狀態的維持、燃料比例優化和反應截面的重新研究,氫硼聚變充滿希望。非平衡狀態是氫硼聚變能夠實現的重點。以往的研究認為核聚變需要等離子體在熱平衡狀態下才可以實現,後來研究發現,氫硼聚變是可以在非平衡狀態下進行的。”西安交通大學外籍教授霍迪在接受記者採訪時説。
有專家認為,氫硼聚變終將推動人類從“能源約束時代”邁向“文明能級躍升時代”,新奧也提出了“在2035年進入聚變堆階段,助力中國發出聚變能源的第一度電”的目標,人類何時能夠實現能源自由,還需要全球共同努力。(資鈦出品)