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人造太阳”背后,能源为什么值得关注?

  2020-08-05

能源大概就是人类文明的基石之一,让文明的无限进步成为可能。


圣波莱迪朗克坐落在法国南部,属于普罗旺斯地区,离同在法国南部的马赛市约66公里。这个鲜为人知的地方最近却受到了广泛关注,尤其是新科技爱好者们。不出意外的话,未来几年,人们可能还会对这个地方顶礼膜拜。


在这里,世界上最大的核聚变装置——国际热核聚变实验反应堆(International Thermonuclear Experimental Reactor,下称 ITER)正式开始组装工作。


数百万个零件从世界各地运到法国,仅组装时间长达4.5年,最终变成直径约30米,高度约10层楼的大型反应堆。


如果 ITER 成功运行,对于全世界来说,都是核技术的一大突破。更重要的是,它可能会改写全球的能源历史,清洁能源届时将成为主流。已经有 35 年历史,还有 15 年才能实现的“人造太阳”ITER,正在试图冲破地球能源危机的考验。


ITER到底是什么?


关于ITER的历史,最早可以追溯到上世纪80年代,是美国总统里根与苏联领导人戈尔巴乔夫提出的倡议。


当时,美国、欧洲共同体、苏联和日本等国家都在进行核聚变相关研究,但研究的经费超过了任何一个国家的预算,所以才有了这一国际合作项目的诞生。


2006年,欧盟、美国、中国、日本、韩国、俄罗斯和印度作为联合参加ITER项目的国家正式签署了一系列相关协议,项目才算真正启动。按照预期,ITER将持续30年左右:10年用于建设,20年用于运行。


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ITER 项目启动仪式


但在建设时间和资金上远比人们想象中的投入要多很多。2015年,ITER 投入的资金已经接近100亿欧元的整体预算,另外针对该项目的审查得出结论,时间表可能至少需要延长6年。目前,ITER的预算已提升至200亿欧元(约1646亿人民币)


不管是建造难度或者金钱的角度看,这是一项必须要全球各国合作完成的巨大工程。仅就组装而言,ITER的所有零部件都是单独定制,许多组件必须在其负责的国家内制造并部分组装,然后运到法国。


就连ITER外部的环境都需要进行严密计划,据ITER官方称,之所以会选择法国南部的小城,原因之一就是它附近有一条航运水路,可以将重量极大的组件通过水路运输到这里。即便这样,ITER也必须建造一条定制的道路,方便运送数十吨甚至上百吨的零件,普通道路根本无法承受这个重量。


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韩国于今年7月将组件运至法国


ITER总干事Bernard Bigot博士表示,项目管理、系统工程、风险管理和机器装配物流的每一个方面都必须协同配合,像瑞士手表一样精确。“未来几年,我们有一个复杂的流程需要遵循。”


中国在其中也发挥到重要作用。ITER官网显示,中国在其中参与制造了TF(环向场)线圈与极向场线圈,均为ITER的关键组件。


“人造太阳”


话说回来,ITER为什么这么值得关注?


一个最核心的原因是,如果 ITER 核聚变反应成功,它将是历史上所有核聚变实验中第一个产生清洁能源的项目,同样也能证明核聚变产生的清洁能源具有商业可行性。


这里要提到ITER的原理:核聚变。理解它最好的参照物就是太阳,太阳产生能量的原理就是核聚变,其产生的能量在1.5亿千米之外的地球,依然能把人类的皮肤晒伤。ITER 或者其他核聚变反应堆就通俗地被大家称作“人造太阳”。


目前模拟太阳最合适的设备是托卡马克(Tokamak)。因为人造设备无法获得与太阳同等压力使核聚变正常反应,只能通过提高至上亿摄氏度的温度来弥补,如此高的温度无法用固体物质承受,于是用磁场约束控制核聚变的托卡马克出现了。


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ITER反应堆设计图,它就是托卡马克


ITER官网简单解释了反应原理:当几克氘和氚气体被注入到形似甜甜圈的托卡马克后,将气体进行加热气体,直到它变成云状的电离等离子体。


托卡马克内部的磁场将其控制在容器内,当温度升至1.5亿摄氏度,核聚变发生,其产生的超高能中子以热量的形式传递能量至托卡马克外壁上的水,产生蒸汽,这个过程就能带动发电。


整个过程的最大优势在于,核聚变的能量来源非常容易获得,产生的能量巨大,并且完全清洁。


氘和氚都是氢的同位素,前者大量存在于海水中(每1升海水中含30毫克氘),后者也能在核聚变反应中生成。菠萝形状大小的氘与氚产生的能量相当于 1 万吨煤。


核聚变也是最理想的产生能量的方式。它释放的能量比核裂变更大,ITER输入50MW(兆瓦),可输出十倍的能量,足以为20万户家庭供电。


更重要的是,它不会产生二氧化碳或者核废料等对环境构成污染的物质。核聚变唯一会产生的“副作用”是氦气,无色无味的惰性气体,合理利用也有大用处。


Bernard Bigot 预言:“利用清洁能源的独特性将其激活利用,将是我们星球的奇迹。”


新能源的希望


人们经常“谈核色变”,因为核能源在我们的印象当中还是一种很危险的东西。但它同时对科学家保持着非常强的吸引力,气候变化、能源危机等全球性的因素成为了推动这个领域最主要的动力,而核聚变等技术可能会对人类文明产生巨大影响,这也是为什么国际上几个主要国家联合成立ITER,也在独立研究出如何将危险又迷人的核能源安全地投入到商业当中。


美国海军在2019年底公布了一项专利,声称他们可以做到直径在0.3米—2 米之间的紧凑型核聚变反应堆(Compact Fusion Reactor,下称 CFR),与ITER直观对比的话,就是建筑物与手提箱的区别。如果这项技术成功,就意味着核聚变反应堆变成了一座可随时移动的大型发电站,飞机、轮船甚至汽车的动力都无需发愁。


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美国海军设计的CFR外观


专利显示,与托卡马克利用磁场约束等离子体的原理类似,不过CFR在内部装置了几对反向旋转动态熔断器(Counter-Spinning Dynamic Fusors),当氘和氚等燃料气体注入后,这些熔断器高速旋转振动,压缩并加热气体,从而产生能量。


研究CFR的不止美国海军,著名的美国国防工业承包商洛克希德马丁公司也在几年前展示过CFR的产品原型。洛克希德马丁方面称,反应堆的重量为20吨,可以放在卡车内。另外,中国和国际上几家私营公司在这方面也有相关研究。


世界各地都在托卡马克上大量投入进行研究。由中国自主设计和研制并联合国际合作的重大科学工程中国聚变工程测试反应堆(CFETR)将于2035年建成,开始大规模科学实验;韩国正在实施其KSTAR项目,同样属于托卡马克。


为什么我们对核聚变如此关注?


当下,获得电力的方式多种多样,但都需要能源消耗。发电厂要么依靠化石燃料、核裂变,或者风、水等可再生资源,但无论使用哪种能源,发电厂都需要通过机械动力(比如涡轮的旋转)转换为电能。


如果人类研究出可控的核聚变(不可控核聚变已研究出来,如氢弹爆炸等)并加以利用,理论上世界能源将无穷无尽,不会发生因气候变化或能源危机对地球造成危害。


从人类出现在这个世界上,获取能源就是延续生命的方式。人民网此前指出过,能源技术科学进步一直影响着人类世界观的形成,人类的文明就是建立在对于能源的认识以及相关信息的传递上。


工业革命以来,这一理论被加速证明。在煤炭和蒸汽机的推进下,人类文明开始了前所未有的加速。接踵而来的是石油和内燃机,以及电力的发明和普及,它们使人类文明再次出现质的飞跃,进入了今天的后工业时代。



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