商業(yè)核聚變在不到十年的時間里從科幻小說變成了科學(xué)事實。誰也沒有意料到高溫超導(dǎo)、激光和先進材料的巨大飛躍突然加速了可控核聚變的商業(yè)化進程。近年來，全球各地的可控核聚變的項目都有了突破性進展。
英國第一光聚變公司上周宣布，它打破了美國桑迪亞國家實驗室的壓力世界紀錄，將壓力極限提升至 1.85 TPa，是地核壓力的五倍。
幾天前，一系列同行評審論文證實，波士頓附近的Commonwealth Fusion Systems 打破了使用最新高溫超導(dǎo)技術(shù)制造磁場強度為 20 特斯拉的大型磁鐵的世界紀錄。這超過了產(chǎn)生高于1.0 的凈能量或“Q 因子”所需的閾值。
麻省理工學(xué)院(MIT) 等離子體元老丹尼斯·懷特(Dennis Whyte) 教授表示：“一夜之間，聚變反應(yīng)堆的每瓦成本降低了近 40 倍。” 并在三月版的《IEEE 應(yīng)用超導(dǎo)學(xué)報》發(fā)表了六篇論文，證實了該技術(shù)的成果。
這些磁鐵通過擠壓托卡馬克裝置內(nèi)的超熱等離子體來融合氫同位素。為了復(fù)制太陽聚變，溫度必須比太陽表面高十倍，因為地球的磁場要弱得多。
“舊”低溫磁體由鈮合金制成，在 -270°C 下工作溫度接近絕對零。新型磁鐵采用稀土鋇銅氧化物 (ReBCO) 并采用全新設(shè)計，可將溫度從 4 開爾文提升至 20 開爾文。它們將超導(dǎo)性與極端磁力結(jié)合起來。這利用了融合能力的“多個數(shù)量級的增長”。
Commonwealth 的首席執(zhí)行官 Bob Mumgaard 指出，這項改變游戲規(guī)則的技術(shù)在10 年前幾乎不存在，五年前仍處于起步階段。“突破在于超導(dǎo)體。更強的磁鐵意味著我們可以建造一個小 40 倍的工廠，”他說。
核聚變有個50年才能實現(xiàn)商業(yè)化定律，而且永遠都會如此，但目前看來這項規(guī)律也要被打破了。國際原子能機構(gòu)倫敦論壇上的一項民意調(diào)查發(fā)現(xiàn)，65% 的內(nèi)部人士認為，到 2035 年，核聚變將以可行的成本為電網(wǎng)發(fā)電，到 2040 年，這一比例為 90%。
總部位于華盛頓的聚變工業(yè)協(xié)會表示，其四名成員認為他們可以在 2030 年之前做到這一點。如果該行業(yè)接近正確，我們需要重新考慮我們所有的能源假設(shè)。英國計劃中的天然氣工廠幾乎在建成之前就已經(jīng)過時了。
去年12月底，由25家央企、科研院所、高校等組成的中國可控核聚變創(chuàng)新聯(lián)合體正式宣布成立。去年以來，國務(wù)院國資委啟動了實施未來產(chǎn)業(yè)啟航行動，明確可控核聚變領(lǐng)域為未來能源的唯一方向。2023年，我國在該領(lǐng)域也取得了顯著進展：全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置(EAST)已經(jīng)在多個實驗中取得了重要成果;核聚變大科學(xué)裝置“中國環(huán)流三號”面向全球開放，邀請世界各國科學(xué)家來中國集智攻關(guān)。
由美國、日本、歐洲、中國和俄羅斯組成的聯(lián)合體、世界上長期運行、耗資 200 億美元的 ITER 研究項目在這場競賽中看起來更像是擱淺的鯨魚。幾十年來，它收集了有價值的科學(xué)成果，但一直受到地緣政治和延誤的困擾，并且產(chǎn)生的能量從未超過其投入的能量，這與使用競爭對手的慣性聚變技術(shù)的美國勞倫斯·利弗莫爾實驗室不同。
接力棒已匆匆交到科技巨頭手中。Commonwealth Fusion 是麻省理工學(xué)院等離子體科學(xué)與融合中心的一個創(chuàng)業(yè)項目，得到了比爾·蓋茨、杰夫·貝索斯和理查德·布蘭森爵士的支持。他們的目標是，到2025年實現(xiàn)首次商業(yè)化規(guī)模的核聚變反應(yīng)，并在 2020 年代末達到穩(wěn)定的 Q 因子 10，這是商業(yè)起飛的能源目標。
Mumgaard 博士表示，美國政府希望通過規(guī)模化將成本控制在 60-80 兆瓦時，從而降低大多數(shù)地方間歇性可再生能源配對天然氣調(diào)峰發(fā)電廠或儲能系統(tǒng)的 24/7 成本。“可能還會更低。因為不使用鈾。不存在崩潰的風(fēng)險，”他說。
位于牛津的Tokamak Energy是新型 ReBCO 磁體技術(shù)的先驅(qū)，可能擁有無價的知識產(chǎn)權(quán)。英國原子能機構(gòu)正在諾丁漢郡一座舊燃煤電廠的舊址上建造自己的托卡馬克裝置，其球形設(shè)計以前從未嘗試過，但有望大幅削減成本。
英格蘭有三家世界一流的聚變初創(chuàng)企業(yè)，涵蓋兩項關(guān)鍵的核聚變技術(shù)。First Light 在惰性核聚變領(lǐng)域領(lǐng)先。另外兩家正在發(fā)展磁約束核聚變技術(shù)：Tokamak Energy 和加拿大的 General Fusion。General Fusion 正在將其示范工廠設(shè)立在卡勒姆校園，這對于 Fusion Cluster 來說是一大勝利。它們中的任何一家都有機會大獲成功。
核聚變的吸引力如今已被廣泛理解。它產(chǎn)生的能量比化石能源高出四百萬倍，且不會排放二氧化碳或甲烷。幾乎不會產(chǎn)生長期廢物，其主要副產(chǎn)品是惰性氦。
核聚變幾乎不占用土地，用水很少，幾乎可以做到隱形。與今天的裂變不同，它產(chǎn)生工業(yè)級高溫?zé)崃浚兄跍p少玻璃、水泥、鋼鐵、氨、氫等的碳排放。如果需要，它可以持續(xù)運行，或者如果不需要，也可以隨時調(diào)度。
燃料在數(shù)千年內(nèi)幾乎是無限的，并且可以從任何地方獲取：從海水中提取氘，通過與少量鋰進行核反應(yīng)來獲得氚。不存在失控鏈反應(yīng)的風(fēng)險。它不使用裂變材料，也無法用于武器。
波蘭-俄羅斯托卡馬克之父列夫·阿爾齊莫維奇曾被問及核聚變何時成熟。他回答道：“當(dāng)人類真正需要它時。” 現(xiàn)在看來，情況正是如此。
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