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韦德国际赢钱给下么 - 核聚变能什么时候不再是个笑话?美国通用聚变公司:有生之年
2020-01-11 16:33:34
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韦德国际赢钱给下么 - 核聚变能什么时候不再是个笑话?美国通用聚变公司:有生之年

韦德国际赢钱给下么,“核聚变将成为未来数千年中我们使用的能源。我们认为,我们会在有生之年做到这一点。”

在有记载的整个历史中,人类始终在膜拜核聚变。几千年来,它有过不同的名字:埃及人称之为“拉”,希腊人称之为“赫利俄斯”,阿兹特克人称之为“托纳蒂乌”。

现在,大多数人都知道,太阳内部发生的就是核聚变,但全世界的物理学家仍像古老的人类祖先一样,对它充满了敬畏之情。倒不是因为物理学家相信,太阳乘坐巨大的芦苇船划过天空,准备随时惩罚我们这些凡人,而是因为他们知道,太阳蕴藏着一个秘密:几乎无穷无尽的清洁能源。

每秒钟都有数万亿个氢离子在1500万摄氏度的超致密太阳核中发生聚变。太阳的超强引力迫使氢原子的质子挤在一起,结合成更重的原子(氦),释放出巨大能量。这个过程被称为核聚变。

虽然位于恒星核的天然核聚变反应堆在宇宙中多不胜数,但在地球上却难以重现核聚变过程。这是因为太阳自身的引力能够把炙热稠密的等离子体约束在太阳核内,而要在地球上将少量的氢等离子体约束在容器内,哪怕只持续百分之几秒,对工程师和物理学家来说,也极为困难。

如果驱动太阳核聚变反应的过程在地球上得以重现,这将成为人类历史上最重要的事件之一。

核聚变电站可以终结我们对化石燃料的依赖,提供高效的清洁能源,而且几乎取之不尽用之不竭。它还有助于解决发展中国家的能源危机和贫困问题,为大型海水淡化厂提供电力,消除水资源短缺。核聚变电站还可以改变地球之外的人类生活,为月球和火星居住地、甚至星际飞船提供能源。

当然,这一切的前提是我们能造出核聚变反应堆。

我前往了两处在全球居于领先的核聚变研究中心——美国新墨西哥州的桑迪亚国家实验室和温哥华市郊的通用聚变公司(general fusion),我想知道,我们距离核聚变能还有多远。

在桑迪亚国家实验室,很多物理学家都把核聚变研究视为一门探索性科学,一种我们刚刚才开始了解的现象,即便我们已对此进行了半个世纪的研究。另一方面,通用聚变公司的研究人员并没有坐等核聚变的到来,他们正积极努力,试图把核聚变电站变为现实。

到目前为止,让核聚变系统产生的能源超过其消耗的能源,对核物理学家来说,这仍然是一个遥远的目标。

主要难点在于,要弄清如何建立并维持极端的环境,把等离子体约束在核聚变反应堆的核心内。

在这方面,桑迪亚国家实验室和通用聚变公司都已取得突破性进展,在80年前开始上演的一场大戏中成为了当仁不让的主角。1932年,澳大利亚物理学家马克·奥利芬特(mark oliphant)拉开了这场大戏的帷幕,首次实现人工核聚变。

此后,制造核聚变反应堆就成为了物理学界的一个梦想。

事实证明,这比20世纪初核聚变先驱们预料的更加困难,由此也产生了核物理学圈子流传的一个笑话:核聚变距离实现总是差了30年。

上个世纪时,美国的绝大多数核聚变研究都是由政府主导,在能源部的国家实验室里秘密进行。那时,核聚变研究与国家安全紧密挂钩。起初,物理学家主要是想利用核聚变能量来制造核武器。虽然从未造出纯粹的核聚变炸弹,但核聚变能量被添加到裂变-聚变热核武器中(俗称氢弹),其威力比以前的裂变核武器(原子弹)要大得多。

虽然核聚变创造了世界上最危险的武器,但如今在美国,政府资助的核聚变研究越来越重视对核武器的有效管理。过去20年里,私人资本也大量涌入了核聚变反应堆研发领域,一些企业利用政府资助的核聚变研究成果,希望第一个建成核聚变电站。风险很大——研究花费惊人,而且几十年都赚不了钱——但潜在回报更大。

在新墨西哥州阿尔布开克市郊外,有一片占地8700英亩、其貌不扬的建筑群,被铁丝网围了起来,还有其他很多肉眼看不见的安保措施。每天早上,汽车都会在大门前排起长龙,绵延数里,员工在那里等待全副武装的保安给他们安检,然后才能进去。

这里是桑迪亚国家实验室,美国国家核安全管理局负责的三个国家实验室之一。

该实验室是柯特兰核武器综合设施的一部分,后者还包括空军核武器中心以及美国最大的核武库之一。可以说,柯特兰核武器综合设施是美国核能力最重要的组成部分,因而也代表着美国全部的国家安全力量。

由于工作的敏感性,桑迪亚国家实验室的大部分建筑都只有数字标识,但存放世界上最强大x射线源的那栋建筑却有一个名字:z脉冲功率装置。

技术人员在打靶结束后检查z机

我和陪同人员来到z装置的时候,接待我的是z机项目高级经理迈克尔·库尼奥(michael cuneo)。在他几十年的职业生涯中,主要的工作就是将世界上最强大的激光射向硬币大小的靶子,以引发聚变反应。那天早上,库尼奥的兴奋之情溢于言表,迫不及待地把我和陪同人员带入了房间。

“你来得刚好。”库尼奥说,“我们正要打靶。”

z机占用了一间大仓库,仓库中央是一间真空室,轻而易举就能装下一辆suv。真空室里放着一个主要由氘(氢的同位素)制成的靶子,大小如同一枚硬币。真空室周围有两条沟槽,分别盛有水和油。沟槽的作用是让连接巨大电容组的电缆处于绝缘状态。电容组基本上就相当于z机的电池。

这些电容器的电量足以为100多户家庭提供几分钟的照明,而它们每天最多只需充电一次。这股能量被压缩,一次性射向真空室里的那个靶子。每一发都是闪电电能的1000倍,而且速度比闪电快2万倍。

在一次实验期间,电流在环绕z机中心的水池周围蔓延

这股电能射在靶子上,使靶原子爆炸,导致电子与原子核分离,将靶子变成等离子体,产生强大的磁场,迫使原子核以大约每秒4828公里的速度向内运动,由此产生的结果就是聚变反应以及巨大的x射线能量。

随着打靶时间日益临近,技术人员在存放z机的房间里匆忙地进进出出,做着最后的调试。z机每天只打靶一次,一些物理学家不得不等待几周甚至数月,才有机会使用z机进行自己的研究,因此在每次打靶前,都必须保证万无一失。

在最后一位技术人员离开z机后,门被锁上,过道里一盏橙色的灯开始闪烁,提醒大家即将打靶。我们在控制室里听到一声巨响,灯光一度变暗,感觉地板都在震动。又一天,又一次成功的z机实验。

z机旁边的迈克尔·库尼奥

这种制造核聚变的方法被称为磁化靶聚变(mtf)。

几十年来,桑迪亚国家实验室尝试过多种方法,mtf是其在核聚变能研究中最新采用的方法。z机本是上世纪70年代政府建造的一系列粒子束加速器,当时,政府既担心出现能源危机,又想在实验室环境中研究热核武器的聚变反应。1996年,这处设施利用z箍缩,升级了其离子束加速器。z箍缩可以增强离子束加速器的效果,通过形成强大的磁场来压缩粒子束,创造出等离子体。这项技术经过20年的不断改良,造就了今天的z机。

在等待技术人员清理z机、确保我们可以安全进入的时候,我问库尼奥,刚才进行的是什么实验?

库尼奥回答说,这是在模拟核爆中心处的环境。

但出于国家安全的原因,他不能细说。

用z机进行的很多研究都是出于类似目的,但物理学家也用它来模拟更加奇特的场景。例如今年早些时候,人们利用z机研究了黑洞周围等离子体的性质,结果推翻了长久以来的传统理论。

迈克尔·库尼奥站在z机上

库尼奥说,z机并不会用来制造可扩展的核聚变反应堆。

“z机是单发装置。”库尼奥说,“要实现核聚变能,必须让该装置重复地产生脉冲。但这不是我们的工作。”

z机创造的核聚变环境只能持续几毫秒。如果用这种制造核聚变的方法来建造核聚变电站,现在每天一次的打靶不仅必须昼夜不停地连续快速进行,还必须对聚变反应产生的能量加以利用和分配。而按照库尼奥的说法,即使桑迪亚国家实验室想制造脉冲核聚变反应堆,z机也无法达到核聚变反应堆所需的能量收支平衡点。

在追求核聚变能的道路上,有两个重大挑战需要克服。

一是科学上的平衡,即聚变反应释放的能量相当于创造聚变反应的等离子体所需要获得的能量。

二是库尼奥所说的“工程上的平衡”,即核聚变反应堆能够进行扩展,使聚变反应产生的能量相当于整个装置制造聚变反应所需的能量。

迄今为止,在全世界的研究实验室中,只有美国加州的国家点火装置(nif)使聚变反应实现了科学上的平衡。

“这是一项巨大的成就。”库尼奥说,“这方面,z机大概只做到了1%的平衡。我们希望未来五年内,能实现科学上的平衡。”

而实现工程上的平衡,难度则要大得多,需要核聚变反应堆足够大,产生的能量足够多,以弥补核聚变反应堆消耗的能量。做到了这一点,接下来的重大挑战是让聚变反应产生足够多的净能量,这样在将核聚变反应堆与电网相连时,其效益才会大于成本。

由于涉及一系列科学难题,库尼奥很怀疑我们能不能在2050年前看到核聚变能并入电网。但过去十年间,一些私人企业纷纷加入到建造核聚变电站的激烈竞争中。

通用聚变公司的技术人员正在焊接等离子体注入器的一个部件

通用聚变公司坐落在加拿大温哥华的一个轻工产业园。站在外面,你根本想不到物理学家会在这个地方进行高深的核聚变研究。但走进里面,你会发现这个地方一片繁忙景象,几十位穿着红色实验服的工程师和技术人员在一台台神秘莫测的巨大机器旁忙碌着。

我被带进了一间里屋,通用聚变公司首席技术官迈克尔·德拉奇(michael delage)正站在一个巨大的金属球前面。金属球上有很多活塞,朝各个方向伸了出来。他介绍说,这是球形马克,一个按比例缩小的原型装置,该公司希望有朝一日,这种装置将成为现实版核聚变电站的核心。同桑迪亚国家实验室一样,通用聚变公司也把磁化靶聚变作为让核聚变反应堆产生净能量的最可行方案,但二者的主要区别在于后者实现这一目标的方法。

那个金属球是通用聚变公司计划建造的核聚变反应堆的两个主要部件之一,另一个是等离子体注入器。该反应堆的运行原理是:大量的铅-锂液态金属被注入球体,通过旋转形成漩涡。在等离子体注入器中,氘-氚气体在瞬间遭遇巨大电能,被加热到大约500万摄氏度,形成一个等离子体。然后,这个等离子体被磁化,形成环状,接着注入球体,被约束在液态金属漩涡中央的空腔。

等离子体被注入漩涡时,球体上的活塞全部启动,同时撞击球体,产生的声震冲击波导致等离子体周围的液态金属内陷,压缩等离子体,使之达到近1.5亿摄氏度,从而促成聚变反应。

聚变反应释放的能量将加热等离子体周围的液态金属,加热后的液态金属被用来产生蒸汽,推动涡轮机发电,就像如今那些普通的核裂变电站一样。

通用聚变公司的工程师正在查看spector等离子体注入器

此类核聚变反应堆的设计理念在上世纪70年代时首次出现,由美国海军研究实验室在linus计划中率先提出。自2002年成立以来,通用聚变公司一直在利用随后诞生的先进技术,来改善这一设计。该公司的商用核聚变电站构想在设计上非常巧妙,但到目前为止,它还没能造出可运行的原型装置。

商用核聚变反应堆的主要障碍,是如何约束和维持聚变反应所需的等离子体。

太阳自身的引力可以把等离子体约束在太阳核内,但就算是地球上最坚固的材料,也无法承受创造等离子体时所产生的极端温度和压力。桑迪亚国家实验室的解决办法是利用燃料靶被巨大能量击中时产生的磁场,来约束等离子体。

同样,通用聚变公司也是利用强大的磁场来约束等离子体,但它形成磁场的方法略有不同。

它先后尝试过15种不同的等离子体注入器设计方案。

今年早些时候,通用聚变公司宣布,其小型实验性等离子体注入器spector的等离子体维持时间足以让注入器与压缩系统接轨。该公司今年5月表示,三到五年内有望建成可运行的核聚变反应堆原型。至于原型建成后还要多久才能让核聚变反应堆产生净能量,德拉奇只能无奈地耸耸肩。

“在这个领域,最难回答的问题就是‘多久’。”德拉奇说,“虽然实现核聚变的时间难以预测,但我们乐观地认为,未来四到五年,我们可以把那些子系统整合成一个完整的大型系统。”

通用聚变公司的工程师正在查看spector等离子体注入器

德拉奇坦言,要是没有政府实验室几十年来的基础研究,通用聚变公司为建造商用核聚变电站所做的这些工作就无法开展。问题在于,这些工作是否有希望创造出能产生净能量、可并入电网的核聚变反应堆?

时至今日,作为核聚变能研究先驱的政府实验室,仍然没有真正致力于把核聚变能投入实用。库尼奥说,原因之一在于,很多国家实验室正面临预算紧缩,而这类研究的风险与回报偏偏不成比例。另一个原因是政府部门的大多数物理学家觉得,在目前情况下试图建造商用核聚变反应堆是哗众取宠之举。

不管是设施还是经费,国家实验室都强于融资状况最好的核聚变初创公司,但只有一个国家实验室在核聚变方面实现了科学上的平衡。这离工程上的平衡还非常遥远,产生净能量更是遥遥无期。在这种情况下试图建造核聚变电站,说好听点是过于乐观,说难听点就是愚蠢莽撞。

但正是这些高风险的努力吸引了希望获得巨大投资回报的风投人士。

德拉奇说,通用聚变公司在成立后的13年间,共获得约1亿美元的投资。相比之下,z机每年的预算经费是1.11亿美元。在创业圈,1亿美元的投资不足为奇,但放到核聚变研究上,就大为不同了。正是这种资金上的差距才使通用聚变公司取得的成绩令人刮目相看。

z机技术人员正在检查容纳真空室部件的设备

虽然通用聚变公司尚未实现核聚变,更不用说科学上或工程上的平衡,但考虑到其预算与z这样的政府设施相差甚远,该公司在核聚变反应堆子系统方面的工作可以说是非常成功了。

下一步是把子系统结合起来,建成可运行的核聚变反应堆,然后不断优化,直至实现科学上和工程上的平衡,最终创造出能产生净能量的核聚变反应堆。届时,核聚变反应堆可以并入电网,提供几乎无穷无尽的清洁能源。

但库尼奥和德拉奇都指出,即使到了那个时候,要改变全球能源体系,也还是需要一段时间。

“能源过渡需要很长时间。”库尼奥说,“即使现在就有一座切实可行、拥有合法执照的核聚变电站,你仍然需要40年时间来建造足够数量的电站,这样才能带来改变——何况我们现在距离切实可行的核聚变能技术也许还有三四十年的差距。”

而且,即便有了切实可行、可扩展的核聚变反应堆,也无法完全肯定核聚变能不会辜负其作为“无穷尽清洁”能源的名声。

目前,桑迪亚国家实验室和通用聚变公司计划把比例为50:50的氘-氚作为核聚变反应堆的燃料(桑迪亚国家实验室现在使用氘比重超过99%的燃料电池,但已开始将氚逐渐用于今后的实验)。这种氘-氚混合燃料释放的中子数是单纯氘燃料的90倍,每个中子携带4倍的能量。

把氚这种最重的氢同位素作为聚变燃料,虽然将产生更多的能量,但库尼奥认为,如果在电站中大规模使用,这未必是一种完全清洁的燃料。氘可以用海水轻易制取,但制取氚就更加困难,需要大量的锂来生产。

如今,全世界可用的氚只有大约20千克。

德拉奇站在通用聚变公司的压缩子单元原型上

“我们尚未对封闭的核聚变燃料循环进行论证。”库尼奥说,“如果我们能用一批核聚变反应堆创造出一种聚变经济,那会是氚经济。你需要建造氚生产厂、增殖和处理设施以及长长的管道,就像打造天然气产业一样。这一切都还没有进行规模论证。”

不同于库尼奥的谨慎预测,通用聚变公司表现得更为乐观,这既是因为该公司迄今已取得了一些成功,还有一个原因在于,它必须乐观才行。

毕竟,通用聚变公司依赖于投资者提供的资金,其中包括亚马逊ceo杰夫·贝索斯(jeff bezos)和马来西亚政府,他们肯定希望自己的投资能获得一些回报。大多数风投人不想等50多年才看到回报,这意味着,通用聚变公司必须与时间赛跑。如果无法实现核聚变,其研究没有带来回报,那么到了某个时候,投资者将不再投钱给这个项目。

“就能源而言,人类经历了从烧柴到烧煤、从天然气到核能、从风能到太阳能的过程。”德拉奇说,“核聚变将成为未来数千年中我们使用的能源。我们认为,我们会在有生之年做到这一点。”

即使通用聚变公司没有成功,世界上还有其他几十个由数千名科学家参与的项目也在竞相开发切实可行的核聚变能。

在民间核聚变反应堆领域,美国tri alpha公司和英国tokamak energy公司已经可以在他们的反应堆内产生和维持等离子体,尽管他们引发聚变反应的方法完全不同。tri alpha的方案是基于对撞束聚变,也就是参与聚变的粒子在粒子加速器里以极高的速度相撞,从而引发聚变反应。tokamak energy使用的是托卡马克反应堆,这是一个巨大的环形装置,利用磁场来维持等离子体。

旧版的通用聚变公司等离子体注入器

虽然私人企业取得的这些成绩引人注目,但很多物理学家还是把他们对核聚变能的希望寄托于国际热核聚变实验堆(iter)计划上。这个规模空前的国际核聚变实验计划已经酝酿了几十年,预计耗资500亿美元。从本质上说,iter就是一个巨大的托卡马克装置,该计划由时任美国总统的罗纳德·里根和前苏联领导人戈尔巴乔夫在1985年的一次峰会上首次提出。过去30年间,由于资金问题和成员国之间的政治纷争,iter计划推进缓慢。

iter从2013年开始修建,已筹集到140亿美元的建造费用,预计将在2025年启动等离子体约束实验。iter的支持者称,建成后,该设施每次可运行50分钟,输出功率达500兆瓦。这是一项极高的要求,要知道,核聚变输出功率的世界纪录是英国jet反应堆在1997年创下的16兆瓦,最长的等离子体维持时间是法国tore supra在2003年创下的6.5分钟。

尽管胜算不大,普遍存在的乐观情绪或许也缺乏根据,但库尼奥仍然认为,实现核聚变能值得人们为之努力,不管是在哪个领域,包括私营部门。

“核聚变能的时间表漫漫无期,难免会让人感到灰心丧气或者悲观怀疑。”库尼奥说,“但如果它是一种清洁且宝贵的能源,就值得去做,值得去投资。核聚变很难,所以我认为,所有可能的方法都不应该放过,这是我们的国家必须要做的事情。”

翻译:于波

来源:motherboard

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