核聚變發(fā)電，民間有高手
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很多人認(rèn)為大型核聚變裝置的建造時(shí)間長，造價(jià)貴，商業(yè)化進(jìn)程不如人意。各國政府主導(dǎo)的核聚變進(jìn)程讓民間高手看不慣了，等不住了，這幾年，紛紛踏入核反應(yīng)圈。
近日在河北廊坊舉行的一次核聚變技術(shù)研討會(huì)上，國內(nèi)知名能源企業(yè)新奧集團(tuán)宣布，未來十年將建一座小型核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。這是首個(gè)宣布研發(fā)聚變能源的中國民營企業(yè)。
和平利用核聚變被稱作“能源的圣杯”。近幾年，全世界的民營企業(yè)紛紛投建核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，或?qū)⒂型黄茙Ыo我們驚喜。與官方的大裝置不同，它們實(shí)驗(yàn)的是小型核聚變。
各出奇招，都為了小
一提到核聚變發(fā)電，關(guān)鍵詞是“托卡馬克”裝置——用磁場籠子關(guān)鎖熾熱的核燃料，最著名的實(shí)驗(yàn)裝置都是這類，包括世界最大聚變反應(yīng)堆——?dú)W洲聯(lián)合環(huán)形加速器（JET）、先進(jìn)實(shí)驗(yàn)超導(dǎo)托卡馬克（EAST）和國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃；除此以外，“慣性聚變”也時(shí)常聽說，即用強(qiáng)力激光或X射線聚焦，引爆小顆粒燃料，最著名的是美國國家點(diǎn)火裝置（NIF）。
小型核聚變技術(shù)，顧名思義，裝置更小。它們大多屬于托卡馬克，但體量上是ITER規(guī)模的幾十分之一，建設(shè)起來快得多，技術(shù)路線也是百花齊放。
三阿爾法能源公司從粒子加速器技術(shù)獲得靈感，將硼元素加入氫燃料中，吸收了核聚變放出的中子——這些中子會(huì)損害設(shè)備，使其帶上放射性。其C-2U設(shè)備將一個(gè)氫氣球體加熱到了1000萬攝氏度，保持了5毫秒。
而通用聚變公司用活塞震蕩氫燃料，促使聚變。上世紀(jì)70年代美國海軍項(xiàng)目將核聚變?nèi)剂现瞥傻入x子磁化球，在液態(tài)金屬殼中點(diǎn)燃，活塞負(fù)責(zé)壓縮和點(diǎn)燃核燃料。此項(xiàng)目雖然中止，但有人重拾技術(shù)，用加拿大政府的小筆津貼，成立了通用聚變公司。2009年開始，通用聚變公司建造了海膽狀的、直徑1米的鋼球，14個(gè)加農(nóng)炮口尺寸的活塞。反應(yīng)室四周攪動(dòng)熔鉛，創(chuàng)造出中有空隙的渦流，容納氫燃料�；钊悦棵�50米的速度撞擊反應(yīng)室壁上的插件，發(fā)送沖擊波穿過熔鉛，促發(fā)小型核聚變。目前這一設(shè)備的壓縮系統(tǒng)和燃料注射器還在實(shí)驗(yàn)階段，沒有實(shí)現(xiàn)聚變。
美國的勞倫斯維爾等離子體物理裝置（LPP），只花了200多萬美元，采用蘇聯(lián)上世紀(jì)50年代提出的“稠密等離子體焦點(diǎn)（DPF）”路線，電磁場壓縮核燃料。核心是兩個(gè)圓柱形電極，一個(gè)包含另一個(gè)。外部電極直徑18厘米，密封在充滿氣體的管中。一個(gè)電脈沖從外部電極沖向內(nèi)部電極，產(chǎn)生等離子體環(huán)。接著，電流產(chǎn)生的磁場擠壓等離子環(huán)，成一個(gè)微小且致密的球。然后磁場崩塌誘發(fā)電場，電子束穿過等離子體，加熱到幾億攝氏度高溫。目前該設(shè)備能達(dá)到高溫，但粒子密度不夠。
再如英國托卡馬克能源公司，首創(chuàng)高溫超導(dǎo)體的托卡馬克，球形構(gòu)型來自普林斯頓大學(xué)，高溫超導(dǎo)體來自麻省理工學(xué)院。其ST40反應(yīng)堆可生成1500萬攝氏度的等離子體——太陽中心溫度，創(chuàng)造了私企研究核聚變的紀(jì)錄；第二臺反應(yīng)堆ST25，2015年連續(xù)29小時(shí)輸出等離子體，創(chuàng)下世界紀(jì)錄。2018年公司想將反應(yīng)溫度再創(chuàng)新高，達(dá)到1億攝氏度。
美國洛克希德·馬丁公司的臭鼬工廠也從2010年研發(fā)緊湊型聚變反應(yīng)堆，體積將是之前概念反應(yīng)堆的十分之一，跟大型卡車的拖車一樣大。
群雄逐鹿，草根主導(dǎo)
1950年代以來，蘇聯(lián)和美國的政府項(xiàng)目都重點(diǎn)研究托卡馬克，它形似甜甜圈，用磁場箍束幾千萬攝氏度的等離子體。
ITER建成前，英國牛津的JET是最大的托卡馬克裝置。1997年，JET用2.5萬千瓦的輸入功率，輸出了1.6萬千瓦的聚變能，曾鼓舞了科學(xué)家建造ITER。
1985年，歐洲、日本、美國和蘇聯(lián)提議共建ITER計(jì)劃。2007年，歐盟、中國、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國開始合作ITER計(jì)劃，在法國南部建造一臺托卡馬克裝置，擁有800多立方米的等離子體腔，磁體重量與一架波音747飛機(jī)相當(dāng)。預(yù)計(jì)ITER建成后，能產(chǎn)生500兆瓦電力，大約相當(dāng)于現(xiàn)在的大型核裂變反應(yīng)堆。該項(xiàng)目前十年執(zhí)行拖沓，成本超出預(yù)算。
很多人認(rèn)為大型裝置的建造時(shí)間長，造價(jià)貴，商業(yè)化進(jìn)程不如人意。各國政府主導(dǎo)的核聚變進(jìn)程讓民間高手看不慣了，等不住了，這幾年，紛紛踏入核反應(yīng)圈。
與官方裝置相比，民間裝置小而便宜。如應(yīng)用聚變系統(tǒng)公司建造的兩座反應(yīng)堆主半徑只有1.1米，每個(gè)價(jià)值5200萬美元。而ITER造價(jià)高達(dá)150億美元。應(yīng)用聚變公司使用3D打印制造小型、緊湊、可裝在航天器上的聚變反應(yīng)堆，這有利于成本和迭代速度。
互聯(lián)網(wǎng)公司的介入也讓一些企業(yè)獲得了更多關(guān)注。2011年，加拿大的通用聚變公司得到亞馬遜總裁貝佐斯資助，加拿大石油公司Cenovus也支持他們。去年該公司與微軟合作，用超算分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，加速研究。
三阿爾法能源公司獲得微軟聯(lián)合創(chuàng)始人艾倫資助，從俄羅斯國有企業(yè)Rusnano等處融到上億美元資金，還得到谷歌的支持，研發(fā)加快等離子體實(shí)驗(yàn)的算法。
有人指出，根據(jù)如今的超級計(jì)算機(jī)模擬，等離子體湍流有別的應(yīng)對，小反應(yīng)堆也可行。而基于1997年設(shè)計(jì)的ITER為了應(yīng)對湍流，造得過大了。
而像英國托卡馬克能源公司這樣的黑馬，更是拿出了時(shí)間表。“可控核聚變將在未來幾年內(nèi)成為現(xiàn)實(shí)，而非數(shù)十年后。”該公司首席執(zhí)行官金漢姆說，他們計(jì)劃2025年研發(fā)出首個(gè)新式小型核反應(yīng)堆，2030年向電網(wǎng)輸電。他們的高溫超導(dǎo)體小型裝置只有幾米寬，有利于批量生產(chǎn)。英國政府也資助了這一項(xiàng)目。
路線待定，中企投資大
中國在核聚變研究領(lǐng)域?qū)嵙Σ环�。去年，位于合肥的先進(jìn)實(shí)驗(yàn)超導(dǎo)托卡馬克（EAST）實(shí)現(xiàn)電子溫度5000萬攝氏度、持續(xù)時(shí)間101秒的穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束等離子體運(yùn)行，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。不過之前還沒有中國民營企業(yè)主導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)裝置。
而新奧宣布研發(fā)核聚變，是在新奧能源研究院、中國物理學(xué)會(huì)等離子體物理分會(huì)和中國核學(xué)會(huì)核聚變與等離子體物理學(xué)會(huì)舉辦的“緊湊型聚變技術(shù)研討會(huì)”上。參會(huì)的中國國際核聚變能源計(jì)劃執(zhí)行中心羅德隆主任告訴科技日報(bào)記者，中國的EAST和國際共建的ITER實(shí)驗(yàn)堆，都有中國企業(yè)參與制造，但能源企業(yè)研發(fā)核聚變裝置在中國還是首次，這有利于吸引社會(huì)力量參與。
國家“千人計(jì)劃”專家、新奧集團(tuán)執(zhí)行副總裁兼技術(shù)委員會(huì)主席朱振旗博士說，新奧近十年在清潔能源技術(shù)領(lǐng)域銳意創(chuàng)新，已經(jīng)在煤基低碳能源、泛能網(wǎng)等方面領(lǐng)先國際。小型聚變是邁向無碳能源的顛覆性技術(shù)創(chuàng)新，符合能源發(fā)展趨勢與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展要求。
羅德隆和朱振旗都表示，新奧探索的是緊湊型聚變裝置，與EAST、ITER和未來的CFETR（中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆）不一樣。朱振旗說，新奧的聚變裝置將是分布式供能——不僅發(fā)電，還要利用放出的熱量。
新奧將用大約兩年時(shí)間確定技術(shù)路線。朱振旗表示，爭取用十年時(shí)間實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，并在其后開展示范工作，每年需要投入資金數(shù)億元。為鼓勵(lì)國內(nèi)外青年英才參與，新奧將設(shè)立一個(gè)小型聚變技術(shù)的方案競賽，就現(xiàn)存問題給出創(chuàng)新和顛覆性的創(chuàng)意。參與者可獲1萬到30萬元的獎(jiǎng)勵(lì)，最高獎(jiǎng)金達(dá)100萬元
