20年内,造出聚变核电站

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楼主 2022-08-19 11:04:44
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本文原载于《环球科学》

首发于微信号:创新地标(kejitouzi)

撰文:W·韦特·吉布斯(W. Wayt Gibbs)

翻译:雷奕安


包括国际热核聚变实验堆(ITER)计划在内的大型核聚变研究项目几乎毫无进展,一些私营公司正在探寻其他通往终极清洁能源的道路。


坐在三阿尔法能源公司(Tri Alpha Energy)实验聚变堆的控制室里,我们正在准备启动聚变反应。看着眼前标着“等离子枪”和“放电控制”的显示屏,我感到有点紧张。这座反应堆是未来发电厂的早期原型,这种电厂能够以可控的方式,像恒星和氢弹那样产生能量。


这座反应堆位于美国加利福尼亚州尔湾附近一个看上去平淡无奇的仓库里。在头顶的监控屏上,我看见仓库里的工作人员正离开巨大的反应堆,朝门走去。反应堆中心是一个闪亮的柱状真空室,长度大约相当两辆首尾相接的校车,周围绕着一圈环形电磁铁,共24块。这些电磁铁比我高一点,跟我的大腿一样粗。在我的控制下,真空室内的温度会上升到大约一千万摄氏度——虽然只是一瞬间。


 “按一下那个按钮,”操作员告诉我。我照办了。


在附近的一座建筑内,今天早上在本地电网的驱动下旋转起来的四个沉重的飞轮,瞬间释放出20兆瓦的强大电力。电流让环形电磁铁产生强大的磁场,并给一组大容量的电容器充满电,为即将发生的超强放电做好准备。两分钟之内,控制屏幕上所有仪表提示的状态都从“准备中”变成了“已就绪”。


操作员俯身靠近一个麦克风:“启动”,高音喇叭传出了他的声音。警报灯开始闪动。我将鼠标光标移到“启动”按钮上,然后点击。


电容器将它们积攒的巨大电量在一微秒中释放出来。两团氢离子云在柱状真空室的两端形成,并被射入真空室中心,速度接近每小时100万千米。两团氢离子碰撞在一起,形成一团形如巨大中空雪茄的旋转等离子体。


听起来很震撼,但是在控制室中,既没有闪光,也没有轰鸣,只发出微弱的“ping”的声音,就像反应堆的房间中有人把扳手掉在水泥地上。很快,等离子体团散掉了,计算机开始处理反应堆中几十个传感器获取的上十亿字节数据流。警报灯熄灭,工作人员回到自己的岗位。


这只是又一次平常的聚变反应。如果你每天启动聚变多达一百次,就像三阿尔法公司现在这样,那么再来一次不算什么大事。


在今年2月我来参观之前,两年的时间内,C-2U实验堆已经启动了50 000次。因此,三阿尔法公司已经积累了足够的数据,可以开始下一步的工作了。4月,公司的技术总监米希尔·宾德鲍尔(Michl Binderbauer),一位瘦高、容易兴奋的物理学家,命令工程师们将实验堆拆掉并回收有用的部件,用来组装更先进的改进型反应堆C-2W。这一工作将在2017年中期完成。


图片来源:《环球科学》


三阿尔法公司的注入器(黄色和银色部分)会射入中性原子束,让炽热的等离子体不断旋转,并使其在反应堆核心保持稳定。


三阿尔法公司的做法是,迅速建成一座原型堆,充分进行测试,然后马上更新换代,这与常规的聚变研究方法有很大差别。几十年来,做学术研究的科学家设计了巨大的机器,试图利用它们来理解高温高压条件下等离子体的神秘行为——按理说这样的等离子体应该发生聚变,但却经常做不到。而宾德鲍尔,维也纳一位创业企业家的儿子,开创了一种新的聚变研究风格。他们由投资人出资,用工程师的思维,专注于建造一个实际可用的聚变发电厂,而不是一座高能物理纪念碑。


还有几家创业公司,例如位于加拿大温哥华郊外的通用聚变公司(General Fusion),同样确信自己能够建成一座商用反应堆,而无须解决聚变之路上遇到的所有物理细节问题。这些聚变电厂的燃料可以从海水或一些常见矿物中提取,几乎是取之不尽的,而且也不含碳。因此,这样的电厂几乎不会排放任何温室气体。,还能每天不间断地为城市生产足够的电力。这些先驱者要做的,只是解决人类迄今为止遇到的几个最难的物理和工程问题而已。


图片来源:《环球科学》


,通用聚变公司的创始人和首席科学家,正在展示一个诊断仪器。这个仪器可以用来测试还没有被证实的物理原理。“有很大的可能不如人意,但也可能是一个惊喜,“他说。


目前,这些实用主义者引起了大家的注意,因为学院派科学家已经走入死胡同:那些巨大的反应堆搞清了一些聚变的科学问题,但是直到本世纪中叶,这些反应堆也不能真正用来发电。一个例子是美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的国家点火装置(National Ignition Facility, NIF)。这是一座造价40亿美元的实验装置,它会用万亿瓦特功率的强大激光轰击一个很小的燃料罐。“NIF一年只能进行几百次聚变”,宾德鲍尔用他的奥地利口音轻快地说。而一座发电厂一天必须启动聚变几万次。NIF在武器研究方面的确发挥了作用(这也是该装置的主要目标),但是它的能量输出必须再增加3万倍才能勉强补偿激光的能量消耗,然后再增加很多倍才会有商业价值。两年前,利弗莫尔终止了一座原型聚变发电厂的设计工作。


第二个令人失望的例子是ITER,一座由多国合作在法国建设的10层楼高的装置。它会利用巨大的超导磁铁控制等离子体,使其在1.5亿摄氏度下燃烧几分钟。ITER即使成功,也不会发电。


政治家们在2006年启动ITER计划时,希望能用110亿美元在今年(2016年)完成建造工作。但是到今年5月为止,费用已经飙升到200亿美元,其中美国要承担大约50亿美元。而且直到2035年之前,该装置都不可能完全建成。沮丧的参议员们以90比8的投票,要求取消美国对该计划的资助。但是,美国能源部随后提交的报告对ITER表达了有保留的信任,在本文写作之时,美国国会决定继续支持该项目,至少持续到明年。


鉴于这些大型项目进展缓慢,宾德鲍尔和其他同行将他们的希望寄托在小型装置上,这些装置实现聚变的方案也与那些大项目有所不同。要实现聚变,科学家必须将少量的燃料压缩到足够致密,加热到足够高的温度,约束足够长的时间,从而让原子核融合在一起,将它们的少量质量转变为大量的能量。NIF和ITER实现聚变的条件是两个不同的极端。实现聚变的条件包括不同的等离子体密度和能量约束时间(等离子体保持高温的时间长短)。大多数新方案都在极端条件之间寻找最佳聚变参数,此前,很少有研究是探索这些区域的。


同样重要的是,这些创业公司即使不能取得成功,也可在较短的时间内确认其方案是不可行的。他们的聚变反应堆“可能比ITER便宜100倍,更容易建造,建造速度也更快,从而为他们取得更迅速的研究进展提供了条件”,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的聚变科学家斯科特·许(Scott Hsu)说。他本人也在另一家聚变创业公司HyperV Technologies工作。(在该公司的方案中,数百支等离子枪同时向球形反应堆的中心发射氩等离子体,让等离子体聚集在一起压缩氢燃料。)如果这类方案存在什么致命缺陷,那么在空耗几十亿美元资金和几十年时间之前,就很可能被大家发现了。


这一点让它们的投资人很满意。通用聚变公司(General Fusion)得到的1亿美元投资中,部分来自亚马逊公司的创始人杰夫·贝索斯(Jeff Bezos)、加拿大政府,。三阿尔法公司声称已筹集数亿美元投资,投资人包括高盛公司,保罗·艾伦(Paul Allen,微软公司的共同创始人)。另一个进展迅速的团队是桑迪亚国家实验室,他们的部分资金支持来自能源部先进研究计划局(ARPA-E),这家机构也像风险投资那样资助一些长线项目。


投资人在打高风险、高回报的赌。的确,聚变研究领域满是这种例子,“大自然说,’想法很好,但是那样行不通’“,桑迪亚项目的高级理论研究员斯蒂芬·A·斯卢茨(Stephen A. Slutz)打趣地说。


约束等离子体


聚变本身的性质,使得我们要维系反应就必须要让一团暴烈的等离子体保持稳定。被剥离了电子的两个原子核,只有当它们靠得足够近,时间足够长,核子之间强相互作用的吸引力能够克服质子之间的静电排斥力的时候,才能发生聚变。聚变发生时,两个离子融合成一个较重元素的原子核,其质量少于两个离子的质量之和。丢失的物质质量转变为庞大的能量,以光子和快速移动的亚原子粒子的形式释放出来。裂变反应堆与之相反,通过铀等元素的原子核裂变获取能量,而不是让原子核融合。


为了得到更高的聚变率,等离子体中的离子必须快速地相向运动,但是也不能太快。这意味着典型的聚变发生温度是1亿摄氏度左右。一座聚变堆,必须能够在真空室中将超高温等离子体压缩到一个相对较小的空间内,并维持一段时间,才能让聚变发生。根据经验,等离子密度和能量约束时间的乘积必须大于10^14秒每立方厘米。密度、时间和温度,这三种条件的多种组合都可以实现聚变。


ITER是一座托卡马克型(tokamak)反应堆。它把大约0.5克氢的富中子同位素,即氘和氚放在一个小房子那么大的真空室内,形成稀薄的等离子体。ITER追求的是低等离子密度和每次数秒的能量约束时间。


NIF与之相反,利用192束总功率达500万亿瓦的激光轰击一个小小的柱形腔,靶中封有少量冷冻的固态氘和氚。产生和传输激光束的光学和电子器件需要一座30米高,三个足球场大的巨型建筑才能装下。为了实现点火(ignition,聚变燃料燃烧产生的能量能够维持聚变持续进行,而不是依赖外界能量输入),NIF追求的是高得难以置信的等离子密度。这是必须的,因为能量完全依靠惯性约束,只能维持不到1纳秒的时间。


ARPA-E的项目负责人帕特里克·马格拉思(Patrick MaGrath)说,在这两个极端方案之间,即较为适中的等离子体密度和能量约束时间,也许会有很大的机会。目前科学家对适中的聚变条件还研究得比较少。但是,还没有一座装置能够控制等离子体湍流和它的不稳定性,而在聚变过程中,湍流和不稳定性几乎是肯定会发生的。控制一团正在发生猛烈聚变的炽热等离子体,就像在不接触的情况下捏住一只蜡烛的火焰,但实际情况比那还要困难,因为等离子中的离子能够自发产生破坏性的复杂电流和磁场。“即使你能点燃蜡烛,”美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室的聚变科学家迪伦· 布伦南 (Dylan Brennan) 说,“它也会把自己吹灭。”


新聚变方案


在这些聚变创业公司中,三阿尔法公司在控制等离子体方面进展最快。“你看到的所有东西都是一年内做出来的,”在我们走过23米长的C-2U装置的时候,宾德鲍尔骄傲地说,该装置与NIF或者ITER相比,简直是太小了。仅仅在启用三个月之后,它每天就能产生多达100团旋转的氢等离子体,密度大约是设计目标(每立方厘米10^14个离子)的一半。等离子体团能够在5毫秒内维持稳定和高温。


这距离让等离子体维持稳定几天或几周的目标还很远。但实验的限制因素主要是外接电源的功率。宾德鲍尔称,如果是一个既能为自身提供电力,也能为电网发电的全尺寸反应堆, “没什么理由不能达到我们期望的持续时间。”升级后的C-2W会增加一个数字反馈装置,用来克服等离子体扭曲或者漂移的趋势。


与三阿尔法没有雇佣关系的斯科特·许说,该公司已经取得了“巨大的进展,他们本质上已经解决了稳定性问题”。但是,在稳定地注入燃料的同时,并在比目前高得多的温度下维持更长的约束时间,是非常关键的,因为反应堆必须不间断地发电。


与三阿尔法公司不同,通用聚变公司的反应堆是以脉冲方式运行的。公司的球形钢反应室竖立在温哥华郊区的一座仓库内。直径一米的反应室周围布满活塞。这些活塞的直径有1/3米, Laberge)的身高差不多。身材高大,留着红色胡须的拉伯奇是公司的创始人和首席科学家。拉伯奇用他的加拿大法式口音描述这一蒸汽朋克风格的机器:“活塞被压缩空气加速到每小时200千米,然后锤击底座——砰!”他一边大声说一边猛拍手掌。“所有锤击必须在5毫秒内完成,才能产生一道冲击波”,冲击波在反应室的正中心坍缩。


当所有部件组装好之后,它们会每秒钟启动一次,就像一颗跳动的心脏。每一次跳动都会把一个等离子烟圈挤压进球形反应室内,并引发短暂但强有力的连续聚变反应。拉伯奇说,用这种脉冲方法,更容易处理湍流,因为每个小的等离子体甜甜圈只需要保持一毫秒左右的稳定。


拉伯奇说,注入系统已经能够产生密度足够高的预压缩等离子体,温度和磁场强度也已经达到要求。但是等离子体仅存活了20微秒——离要求差50倍,然后就被不稳定性破坏。拉伯奇相信,他们设计的一个形状像喇叭口的新喷嘴能够扭曲等离子体自身产生的磁场,让它的强度正好可以把燃料约束到足够长的时间直至聚变发生。


但是,仍然“有很多同行认为通用聚变公司的方案行不通”,布伦南说,他也在协助这家公司。批评者不相信一个创业公司的小团队有能力解决困扰学院派研究人员几十年的等离子体难题。“但是从科学角度看,我们有理由说他们做不到吗?” 布伦南反问,“没有。”


在半个大陆之外的新墨西哥,桑迪亚国家实验室正在进行一个叫MagLIF的实验。他们已经完成了创业公司还没有实现的一个目标:做出一次规模可观的聚变。跟NIF一样,MagLIF追求的也是高离子密度(大约每立方厘米10^24个离子)和几纳秒的能量约束时间。但是桑迪亚的系统只有34米大小,比NIF小得多,也便宜得多,因为它采用了两步驱动方案,压缩并加热一个比铅笔头上的橡皮擦还小的圆柱靶中的燃料。


图片来源:《环球科学》


桑迪亚的Z机器产生短暂的强电流脉冲,能生成很强的磁场来压缩聚变燃料。


一个叫做Z机器的装置为MagLIF提供19兆安培的电流脉冲。脉冲形成强大的磁箍缩,令圆柱靶内爆。当圆柱靶开始内爆的时候,在极短时间内用万亿瓦特激光照射燃料,使其电离。实验装置同时产生另一个磁场,保证形成的等离子体不从圆柱两端逸出。但是内爆的圆柱体会变得不稳定,导致燃料从边上跑掉。

与2013年末实验刚开始时相比,目前MagLIF每次启动时的聚变反应数已经提升了100倍。“MagLIF已经干得很不错了,”斯科特·许说。项目负责人丹尼尔·希纳斯(Daniel Sinars)说,计划在2016年年底进行的实验应该可以得到更好的结果。


如果进展顺利的话,实验组计划将电流提升到25兆安培。这应该能够引起大约10^16次聚变反应,释放出的能量足以抵消燃料启动聚变时从外界吸收的能量,与NIF在2014年取得的成果一致,而花费要小得多。“那会相当激动人心,”希纳斯说。


桑迪亚国家实验室已经制订了升级Z机器的计划。如果驱动电流达到60兆安培,并且在以前一直使用的氘燃料中加入氚,新的Z800机器应该能把每次启动时产生的能量提高100 000倍。这能够实现点火,比ITER提前10年或者更早实现自持聚变吗?桑迪亚实验室的研究人员计算的结果是,可能行。


由于桑迪亚是一家国家实验室,任何大型升级计划都要先得到国家的批准,但国家现在并不情愿花钱。也许来自外界的竞争会改变国家的态度。斯卢茨说,中国的科学家已经建造了一个小版本的Z机器,正在重现桑迪亚发表的实验结果,俄罗斯也计划建造一台类似的50兆安培机器。


提升反应温度


即使某个聚变方案能够成功达到离子密度和约束时间要求,它仍需满足第三个必要的聚变条件:高得难以置信的等离子体温度。实现这一点很难,因为光辐射、电子相互作用和数不胜数的其他机制都会冷却等离子体,吹灭刚刚开始的聚变反应。


例如,在桑迪亚实验室,希纳斯和斯卢茨就在绞尽脑汁地思考:激光为什么不能像他们的模型计算的那样加热燃料。封闭燃料靶两端开口的薄窗口可能会让激光发生散射。但激光也许根本就不是理想的加热工具。在一个商业系统中,“你可能需要用别的方式加热燃料,”希纳斯承认。桑迪亚实验室团队正在改善激光加热效果,但是如果做不到的话,至少在早期阶段就能发现方案是失败的。


三阿尔法公司必须达到比竞争对手高得多的温度。因为他们使用的是质子和硼11混合燃料,燃烧温度为35亿摄氏度。这比氘氚燃料的燃烧温度高20多倍。

等离子体温度越高,就越难以约束。但是宾德鲍尔打赌,三阿尔法的能量约束随着温度的提高,实际上会变得更好。到目前为止,实验结果支持他的看法,但即使在新的C-2W装置上,等离子温度也还不到所需温度的百分之一,约束持续时间也仅有30毫秒。宾德鲍尔承认他可能输掉这场物理赌局,但是他说,“我们还没有获得更高温度下的数据。我们将去证明它。” 


通用聚变公司也必须与未知的物理问题战斗——也就是,热量从等离子体中逃逸的速度有多快。“这无法通过第一性原理计算出来,所以有很大可能不如人意,但也可能是惊喜”,拉伯奇说。“如果(热)损失比预计的严重,我们可以构建更大的机器。但是如果需要增大到ITER的大小,我们就麻烦了。”


从原型堆到发电厂


如果哪天某座聚变堆点火成功,人们肯定会开香槟庆祝——之后仍要解决大量的工程难题,才能将实验堆转化为能够发电和赚钱的聚变电厂。到2040年,全球的电力供应量预计要增长70%,要在其中占有一席之地,聚变还必须在成本方面与其他清洁能源竞争。


ITER之类的、巨大的托克马克装置可能永远无法成功,麻省理工学院等离子体科学与聚变中心负责人丹尼斯·怀特(Dennis Whyte)说,因为它们需要消耗自身产生的大部分能量才能正常运行。创业公司在工程方面有更多超前的考虑,但是仍然必须面对大量的实际问题。


例如,在可预见的将来,MagLIF的每一次启动都将破坏部分设备。氘氚聚变产生的大部分能量都是以高能中子的形式释放出来的,高能中子会破坏钢铁部件,并逐渐让它们产生放射性。使用这种燃料的聚变电厂必须拦截高能中子,利用它们的热能推动涡轮机旋转发电,同时将有害效应降到最低。科学家还没有想好如何避免中子的破坏。关于如何加快聚变频率,即从一周几次提高到一分钟几次,他们也还只有粗略和尚未证实的想法。HyperV公司和位于加利福尼亚州塔斯廷的磁惯性聚变技术公司(Magneto- Inertial Fusion Technologies),正在利用ARPA-E提供的资金研究相关方案。他们可能解决这些问题中的某几个,但是这些努力离成功还很远。


三阿尔法公司追求的是质子-硼聚变,就是为了避免令人头疼的快中子问题。这种聚变会放出三个氦原子核(也叫阿尔法粒子,该公司名字就是从这来的)和X射线,但是几乎没有中子。该方案的缺点是:X射线携带了80%的聚变能量。


宾德鲍尔说,理论上,在反应室内衬装上光伏电池就可以把X射线光子转换为电能。但是这一技术还不存在。因此公司考虑让冷却剂流过反应室壁内侧,带走X射线沉积的热量。通用聚变公司仍然坚持采用氘氚燃料。除了中子问题,这种反应还有一个缺陷,就是氚有一定放射性,而且非常稀少和昂贵。拉伯奇计划让熔融的铅锂合金涡流通过反应室,带走中子的能量。中子也会把一些锂原子分裂成氦和氚,氚可以回收用作燃料。


在纸面上,这是一个完美的解决方案。但是还没人建造过这样的系统。增殖产生的氚的量也还只能完全靠猜测,斯科特·许说。拉伯奇也担心,当冲击波通过铅锂合金的时候,少量的金属会溅射到等离子体中,淬灭聚变,“就像往火上浇水一样”。


值得追求的目标


考虑到ITER和NIF令人失望的进展,怀特说,“是时候全盘考虑我们目前的科研进展,看看有没有其他理想方案了,”包括改进托克马克让它变小,或者将它扭曲成奇怪的形状,即仿星器(stellerator)。“我很乐意看到这些方案的竞争,包括紧凑托克马克、通用聚变公司方案、紧凑仿星器和三阿尔法公司的机器。让我们看看谁会做得最好。” 


目前,在美国出现的这场竞赛依靠的是投资人的善意。斯科特·许说,资助非主流聚变方案的联邦经费拖了一年又一年。他和普林斯顿等离子体物理实验室的主任斯图尔德·普拉格(Steward Prager)已经建议众议院增加资助探索创新聚变概念的研究经费,这会激励其他雄心勃勃的创业公司出来参与竞争。如果这些新概念成功,斯科特·许说,“聚变发电厂也许会在不到20年的时间内用几十亿美元建成。” 


也许会,也许不会。就像宾德鲍尔指出的那样,“有很大的可能,某个我们现在还不知道的物理问题会来困扰我们。”


但是,想想可能的回报吧:一种新的能源,不靠风的吹拂,不会被云遮盖,不需要对现在的电网系统做出巨大改动,,不会熔毁,不会辐射电厂周边的民众,而且一旦开始进入市场,也可能比别的清洁能源更便宜。


这是不是值得更多的尝试呢? 

本文来自《环球科学》旗下公众号“创新地标”,转载请联系授权。


本文编辑:慕编组成员(小端午)


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