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世界今日訊!可控核聚變新方法顛覆預期,第一盞燈即將點燃?

時間:2022-06-25 09:31:42    來源:科普中國網    

昨天看到一則消息,顛覆了我對可控核聚變未來的預期。一個名不見經傳的小初創(chuàng)公司Zap Engergy,正在通過一種全新的方法,既省了錢,又取得了重大突破。一些業(yè)內專家和媒體對這個技術評價極高,認為是可控核聚變技術的一個重要里程碑。

現在,Zap Engergy正在努力將這種技術模塊化,宣稱不久的將來將推向市場。這次突破真的會大大縮短可控核聚變的商業(yè)化進程嗎?我們來了解一下。


(相關資料圖)

再簡單說說什么是可控核聚變/

可控核聚變就是利用太陽內部核聚變的原理,在地球上創(chuàng)造出長久釋放的氫核聚變能源,用于造福社會。其實氫彈爆炸就是核聚變的能量,但是不可控的,“轟”的一聲就沒了,除了戰(zhàn)爭,不能造福社會。

而可控核聚變就是讓這個“轟”的一聲瞬間釋放的巨大能量,變成慢慢釋放,這樣就可以發(fā)電,在相當長時期得到取之不盡用之不竭的能源。由于這種能源的產生方式類似于太陽,因此俗稱人造太陽或人造小太陽。

但太陽核心能夠源源不斷地持續(xù)發(fā)生氫核聚變,是因為太陽質量巨大,導致的向心巨大收縮壓力下形成的,這個壓力達到3000億個大氣壓。地球上無法人造出這種壓力,就需要比太陽核心1500萬度更高的溫度,這個溫度需要1億度以上。

這樣問題就來了,如何讓等離子體加熱到1億度呢?而且地球上最耐熱的金屬才幾千度就融化了,用什么容器將核聚變幾萬個幾千度的等離子體“裝住”呢?又如何讓這高溫的等離子體發(fā)出電來呢?這就成可控核聚變需要解決的幾大難題。

科學家們弄了幾十年,如今終于有點眉目了。解決把核聚變高溫等離子體“裝住”的方法有三個,即磁約束、慣性約束、重力約束,這幾種方法都是非物質約束方法,就是不讓高溫等離子體碰到容器內壁。

重力約束就是太陽這種方法,地球上做不到,人們就只能從磁約束和慣性約束來想辦法了。前蘇聯科學家早在上世紀50年代就發(fā)明了一種叫托卡馬克的裝置,這種裝置是通過線圈在內部產生磁阱,將高溫等離子體約束在磁阱里。

世界上磁約束可控核聚變開發(fā)現狀/

采用托卡馬克裝置研發(fā)可控核聚變技術,是經典的磁約束方法,處于世界主流地位。中國自主研制出非圓截面全超導托卡馬克實驗裝置,簡稱EAST,目前處于世界領先地位。在試驗中,已經取得幾項世界領先成就,如7000萬度長脈沖高參數等離子體維持運行1056秒,等離溫度1.2億度運行時間達到101秒,實現了1兆安等離子體單溜等。

許多國家,如美、英、日等國的可控核聚變也都取得了進展,都可以產生能量了,但都維持時間太短,而且即便發(fā)了點,輸出能量還不足。下一步需要解決的主要問題就是,讓核聚變的等離子體能夠長時間穩(wěn)定持續(xù)燃燒,并且輸出的能量要大大高于輸入的能量,符號表示就是達到Q=1以上。

這些問題說起來很簡單,但做起來談何容易。因此,世界各路專家大體一致認為,要真正讓可控核聚變實現商業(yè)化運用,至少還需要30年左右甚至更長時間。

中國也做出了自己的規(guī)劃,在2025年實現Q=5,并逐步達到Q=10;2030年實現示范工程發(fā)電,在Q=5條件下實現200MW發(fā)電,初步達到Q=10穩(wěn)態(tài)發(fā)電1GW。

從這個計劃安排來看,如果能夠順利實現,最早也要到2030年才能在試運行中點亮第一盞燈,真正形成商業(yè)發(fā)電還要到2050年。

慣性約束可控核聚變開發(fā)情況/

所謂慣性約束,就是利用粒子的慣性作用來約束粒子本身,從而實現核聚變反應的一種方法。比較經典的方法是采用高能激光或帶電粒子束照射極小的靶丸,導致靶面物質迅速消融并向外猛烈噴射,而噴射的反作用力形成向內傳播的沖擊波,形成極大的壓力將靶丸內的氫同位素氘和氚發(fā)生聚變。

這種技術也是早在上世紀六十年代就提出了,前蘇聯和美國都進行了大量試驗,我國自2000年以來,也開始了這項試驗,但至今這項技術還沒有取得重大突破,都還處于實驗室試驗階段。

今年五月,有報道稱英國一家叫First Light Fusion的公司另辟蹊徑,通過高速彈射技術來引發(fā)核聚變。具體是通過兩支大型超級空氣加速槍,將燃料加速到10~20倍音速,射向嵌入氘燃料芯的小塊,形成崩潰沖擊波,瞬間壓力達到10億個大氣壓,導致燃料快以足夠高的速度自爆,從而實現核融合反應。

核聚變的高溫會將水加熱產生蒸氣,通過驅動渦輪機帶動發(fā)電機轉為電能,這樣就實現了可控核聚變發(fā)電。

研發(fā)出這種裝置是受到海洋槍蝦的啟發(fā)。槍蝦又叫鼓蝦,身長約5厘米,生活在熱帶海洋的淺水區(qū)。這種蝦有一種“黑科技”武器,攻擊獵物時會瞬間噴射出一股時速高達100公里的水流,形成一個極小的低壓氣泡,這個氣泡從產生到破裂只需10億分之一秒,爆破時瞬間溫度達到4700度,被這氣泡沖擊波擊中的獵物很難逃過一劫。

由此,First Light Fusio公司開發(fā)的高速“氣槍”就以“槍蝦”命名。據稱這種“槍蝦”核聚變方式,距離發(fā)電理想大大前進了一步,且相比采用昂貴的高能激光發(fā)射器,成本低多了。目前該公司計劃采用這種技術,在2030年開辦一個實驗工廠來生產電力。

這完全稱得上是一匹黑馬,是慣性約束可控核聚變開發(fā)方面的一支奇葩,是真正的創(chuàng)新和彎道超車,目前很被看好。

Zap Engergy公司的可控核聚變技術依然是磁約束技術/

根據報道,這家位于西雅圖的初創(chuàng)公司開發(fā)了一套叫Z-pinch的系統(tǒng),這套裝置采用的是一條與托卡馬克裝置完全不同的路線,摒棄了托馬斯克裝置中大量昂貴的磁鐵、磁線圈、屏蔽材料,以及為了保護它們需要的復雜網絡,只是利用等離子體本身的磁場,將自己約束在一個相對較短的柱子里。

報道采用了一個形象的比喻:將等離子體“釘在”柱子里,并“夾住”它。等離子體本身就是帶電的,理論上當然也可以形成磁場和磁阱。報道里只說這種技術叫“剪切軸流技術”,沒有更多地披露技術細節(jié)。我們也沒有必要去深究它,這些是專業(yè)人員的事情。

我們現在知道的是,這項技術已經成功了,并且在500千安培電流下進行了演示。Zap Engergy的首席技術官表示,這套裝置叫FuZE-Q,是第四代Z-pinch設備,下一代將設計為可容納650千安培的電流,實現收支平衡點,即Q=1。

目前Zap Energy團隊拿到了1.6億美元的C輪融資,雄心勃勃的宣稱,下一步將盡快將這項核聚變技術推向市場。他們設想通過大規(guī)模制造反應堆來實現這一目標,這些反應堆將實現模塊化,小到可以放在車庫里。

這樣,這些模塊就既可以部署在偏遠社區(qū)提供電力,也可以組合起來形成大規(guī)模集合體,提供整個城市電力。這種裝置不像經典的托卡馬克裝置和慣性約束那樣,需要昂貴的材料,成本大大下降,更容易被社會接受和普及。

那么,這幾種從經典可控核聚變技術中脫穎而出的新技術,會不會對各國的經典常規(guī)技術造成打擊和沖擊呢?目前很難判斷。但我覺得,First Light Fusio和Zap Engergy這兩家初創(chuàng)公司的技術的確很令人震撼和大開眼界。

當實力雄厚的世界級大公司和國家扶持的頂級研究機構,幾十年如一日孜孜不倦地沉浸于經典技術中,一點一點往前挪動時,這幾個小公司卻獨辟蹊徑原創(chuàng)性地開辟出自己的一片新天地,既大大降低了成本,又縮短了預期,這似乎才是真正地彎道超車,無招勝有招啊。

當然,華山論劍,誰主沉浮,還未有定數;是騾子是馬,還得拉出來溜溜;誰能點亮世界上可控核聚變商業(yè)運用的第一盞燈,才是王者。會是我們嗎?希望是,但還須拭目以待。

今天就說這些,歡迎討論,感謝閱讀。

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標簽: 等離子體 托卡馬克 第一盞燈

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