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为什么核聚变总在30年后?

核聚变 能源 反应堆 核约束装置 等离子体 核聚变电站

Nathaniel Scharping 发表于  2016-07-25 15:29

刘人/编译)长久以来,核聚变一直被视为能源研究的圣杯。它代表了一种几乎无限的能量来源,洁净,安全而自持。自从1920年代英国物理学家亚瑟·埃丁顿提出关于核聚变的理论以来,核聚变已经激起了了科学家和科幻作家的无数遐想。

联合欧洲环形托卡马克装置的内部。图片来源:EUROfusion

从本质上来说,核聚变是个很简单的概念。聚拢两个氢同位素原子,用压倒性的力量把它们撞在一起;两个原子核克服了它们之间天然的排斥力融合到一起,发生反应,释放出巨大的能量。

但是,回报越大,投入也需要越大,而数十年来,我们一直与一个难题缠斗不休:如何为氢燃料提供能量并保持它不逃逸,直到它升温到8000万度以上?时至今日,最成功的几次聚变实验已经成功将等离子态的氢燃料加热到了超过5亿度,并且在3.5分钟内维持为一团等离子——虽然这并不是在同一次实验中,也不是在同一个反应堆中实现的。

最近的成功进展来自德国和中国:德国的文德尔施泰因7-X反应堆于近期上线,进行了一次成功的实验,达到了接近1亿度的高温;中国的EAST反应堆则成功地将核聚变反应维持了102秒,尽管反应温度更低一些。

不过,尽管有了这些进步,几十年来,研究者们还是在说着同一句话:我们离实用的聚变反应堆还有30年。甚至就在科学家们追寻这座“圣杯”的过程中,事实也越来越清楚——我们仍然不知道我们究竟不知道什么。

文德尔施泰因7-X反应堆获得的等离子态氢,反应堆内部温度超过七千六百万度。图片来源:IPP

每一个答案,都带来更多问题

德国文德尔施泰因7-X反应堆和中国EAST反应堆的实验被誉为“突破性进展”,在核聚变实验中,这是一个很常见的形容。虽然这些案例或许十分激动人心,但考虑到我们所面临的问题的规模,它们只能算是小儿学步。很显然,要实现核聚变,需要达成几个,或者十几个这样的“突破性进展”。

“我不认为我们已经达到了知道要做什么才能跨越那道决定性门槛的阶段”,马克·赫尔曼说,他是加州国家点火设施的负责人。“我们仍然在学习这门科学究竟是什么,我们也许已经排除了一些干扰项,但如果排除了它们,还会有别的问题吗?我们几乎可以确信会有,但还不知道要对待它们会有多难。”

在未来十年内,国际共建的国际热核聚变实验堆(ITER)即将建成, 该装置将把我们所知道的所有核聚变知识融汇在一个反应堆里。目前,ITER最有希望可靠达到产耗平衡点,或者说临界温度密度——在此点上,聚变反应所产生的能量超过了制造它所耗费的能量。在产耗平衡点,两个原子核聚变所释放的能量足以使其他原子核融合在一起,达成一个自我维持的循环,从而使聚变电站成为可能。

然而,或许是不可避免的,ITER项目面临着各种挫折,设计上的争论也减缓了建造进程,美国甚至威胁要削减其对项目投入的资金。正是因为这些形形色色的预算和政策上的游移不定,我们可以确定,在接下来的30年中,我们还会继续说“核聚变是30年后的事”。

到底什么是核聚变?

可靠地达到产耗平衡点是个双重难题:一要使反应启动,二要让它持续进行。为了从聚变反应中得到能量,你必须先向其输入足够的能量,推动核聚变达到一定速率。一旦你超越了这条界线,燃烧的等离子体必须立刻被可靠地约束住,以免它失去稳定,导致反应失败。

为了解决约束这个问题,大部分装置都使用了强大的磁场,让等离子体悬浮在半空中,防止它的高温将反应堆壁熔毁。这些“磁约束装置”看起来就像一个巨大的甜甜圈,容纳着被磁场约束住的等离子体环,如果温度足够高,等离子环内就会发生聚变反应。俄国科学家在上世纪50年代首先提出了这种设计,尽管人们真正用它实现核聚变是几十年后的事了。

一台磁约束聚变装置——文德尔施泰因7-X反应堆——正在建造中。图片来源:IPP

要用这种装置产生一团真正稳定运行的等离子体,需要两个磁场:一个磁场包裹着等离子体,另一个磁场则沿着等离子环的方向运行。目前使用的有两种类型的磁约束装置:托卡马克和仿星器。

两者之间差别不怎么大,但是微小的差别也可能对哪种装置会在未来取得成功产生巨大影响。两种设计之间的主要差异是它们产生极向磁场的方式——就是那个环绕等离子体的磁场。托卡马克将电流通过等离子体本身,而仿星器则使用装置外部的磁体来产生螺旋形磁场, 环绕等离子体。

据普林斯顿等离子体物理实验室的霍奇·尼尔森介绍,总的来说,仿星器被认为更为稳定,但建造起来更为困难,而且缺少研究。另一方面,托卡马克装置则更容易理解和建造,但存在一些固有的不稳定性问题。

目前,在这场竞赛中,两位选手谁将获胜尚不清楚,二者似乎都还没接近“圣杯”。因此,由于无人胜出,研究者们选择了同时建造这两种装置。

组装成文德尔施泰因7-X外部容器的五部分之一,于生产中拍摄。图片来源:沃尔夫冈·费尔瑟/IPP

目前,世界上最大的聚变反应堆是联合欧洲环形装置(JET),这是一个位于英国的托卡马克型装置,由欧盟提供资金支持。JET于上世纪70年代被委托建造,1983年首次投入运行,并成功生产出了等离子体——也就是核聚变的第一步。JET目前保持着在聚变反应中产生16兆瓦能量的最高记录,但即便如此,它也没有达到产耗平衡点。

为了达到产耗平衡这个至关重要的里程碑,我们或许不得不等待ITER的问世。按计划,ITER装置每输入50兆瓦电力就能产生500兆瓦电力,并能将等离子体状态保持在半个小时以上。这些能量足够为50000户家庭供电。ITER的设计基于托卡马克构型,是欧盟与包括美国在内的六个国家汇集资源和技术、期望开启利用核聚变能源的大门的成果。

用以产生ITER环向磁场的其中一种电缆。图片来源:ITER组织

欧洲核聚变研发创新联盟的研究员德瑞特·波巴表示,目前各类核聚变发生装置面临的一个主要问题是规模太小,而ITER将试图克服这一不足。随着反应堆的增大,反应过程会变得更加稳定,而且可以达到更高的温度,这是实现核聚变的两个关键因素。

然而,ITER项目的合作特质已经明显减缓了它的建设进程,各国分头提供零部件带来了政治和经济上的变数,延误了反应堆建成的时间。ITER于2006年首次获得正式批准,计划于2016年实现首次核聚变,但截至目前,这个日期已被推迟了至少10年,最早要到2026年才能实现。

图解分别负责生产ITER反应堆不同部分的国家。图片来源:ITER

此外,据尼尔森说,要成功建成一个能够解决我们能源需求的核聚变发电站,单靠ITER是不够的。虽然ITER是反应堆设计上的一个显著进步,但它并不意味着核聚变研究的终点。

如果一切顺利进行,ITER将为另一个反应堆——DEMO(聚变示范电站)——铺平道路,这种反应堆将把ITER的技术扩大至工业规模,并且有望证明核聚变是一种切实可行的能量来源。

与此同时,世界各地新建成的各个核聚变反应堆将会继续在核聚变研究中扮演重要角色。他们的研究绝非多余,而有助于从不同的角度攻克这个难题。

尼尔森说,在 ITER试图解决规模问题的同时,亚洲地区的核聚变项目正在探索超导磁体的优势,尽力延长等离子体的维持时间。同时,德国的文德尔施泰因7-X项目推进了仿星器的设计,或许能彻底避开整体稳定性问题。然而,尽管各国对核聚变兴趣激增,但目前的努力仍然不够。尼尔森表示:“对于像核聚变这样困难繁多而又充满挑战性的难题,你会期望我们正在进行比现在多得多的实验,以尝试解决各式各样的问题”。

归根结底,问题可能还是在于资金。科学研究受困于资金肯定不是什么新问题,但对于核聚变来说,由于其超过一代人的超长时间跨度,资金成了个尤为困难的问题。虽然潜在的好处显而易见,但我们能从核聚变研究中得到回报的那一天仍在遥远的未来。

拉班·科布伦茨认为,我们渴望立即从投资中得到回报,这种挂念削弱了人们对核聚变研究的热情。他是ITER项目传播部门的负责人。

他说:“我们希望我们的足球教练能在两年内提升比赛成绩,不行就走人;政治家们只有两年、四年或者六年的任期,然后走人——在这些方面,从投资到获得回报只有很短的时间。所以,当有人告诉你要在10年后才能出结果时,这种说法很难让人买账。”

在美国,核聚变的研究经费,包括对ITER项目的投资在内,一年还不到6亿美元。美国能源部2013年对于能源研究的预算申请是30亿美元,与之相比,核聚变的研究经费是相当少的,而总体上说,能源类项目的研究经费占美国当年所有研究经费总额的8%。

“如果你对照比较一下能源预算,或是军备研发上的花费,用于核聚变研究的钱真的不算很多,”托马斯·佩德森说,他是马克斯-普朗克研究所的等离体物理部的主管。“如果把核聚变研究与其他研究项目对比,它看起来是挺昂贵的,但如果把它与石油生产、风电,或者可再生能源补贴相比,这笔费用比它们少多了。”

从上方俯视JET反应堆。图片来源:EUROfusion

佩德森对核聚变研究的关注点在于预期投入产出比。在太阳能和风能研究上的投入可能相对便宜,但是与实用化的核聚变电站相比,其回报就不值一提了。

核聚变总在30年以后

虽然如此,现在,那条终点线,那个似乎我们每前进一步它就后退一步的山顶,已经遥遥在望。这是一条若隐若现的坎坷之路,不仅是因为技术上的原因,还受到了政治和经济问题的阻碍。科布伦茨、尼尔森和波巴认为,可控核聚变无疑是一个可以达成的目标,然而,我们何时才能到达,或许在很大程度上取决于我们到底有多想要它。

“托卡马克之父”,苏联物理学家列夫·阿齐莫维齐可能早已做出了最好的总结:

“核聚变会在社会需要它的时候准备就绪。”

题图来源:EUROfusion

(编辑:Ent)

编译来源

http://blogs.discovermagazine.com, Why Nuclear Fusion Is Always 30 Years Away

热门评论

  • 2016-07-25 16:45 天降龙虾
    引用文章内容:目前,世界上最大的聚变反应堆是联合欧洲环形装置(JET),这是一个位于英国的托卡马克型装置,由欧盟提供资金支持。

    英国脱欧了,这装置的命运会如何??????

    [44] 评论
  • 2016-07-25 18:58 脂肪酸钠
    引用文章内容:核聚变总在30年以后

    忽然想起一个笑话:

    某女发短信给某男:“你什么时候才能来?”

    该男回复:“五分钟后。你要是等急了,请你再看一遍这条短信。”


    [23] 评论
  • 2016-07-25 16:01 舒马皮

    一直觉得这是能改变人类文明进程的科技,希望有生之年能够看到。

    [19] 评论

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全部评论(77)
  • 1楼
    2016-07-25 15:52 极盛女荡

    想起了小说中的人造太阳。

    来自 果壳的壳
    [2] 评论
  • 2楼
    2016-07-25 16:01 舒马皮

    一直觉得这是能改变人类文明进程的科技,希望有生之年能够看到。

    [19] 评论
  • 3楼
    2016-07-25 16:24 傻缺青年

    希望能尽快开发出来,然后尽量减小体积,能够用在卫星推进上……至少觉得比曲率引擎什么的靠谱多了……

    [0] 评论
  • 4楼
    2016-07-25 16:37 疑叶滋秋

    如果说安全可控的核聚变能广泛推行的话,环境会比现在好得多啊→_→

    来自 果壳的壳
    [2] 评论
  • 5楼
    2016-07-25 16:45 天降龙虾
    引用文章内容:目前,世界上最大的聚变反应堆是联合欧洲环形装置(JET),这是一个位于英国的托卡马克型装置,由欧盟提供资金支持。

    英国脱欧了,这装置的命运会如何??????

    [44] 评论
  • 6楼
    2016-07-25 16:46 天降龙虾
    引用文章内容:政治家们只有两年、四年或者六年的任期,然后走人——在这些方面,从投资到获得回报只有很短的时间。所以,当有人告诉你要在10年后才能出结果时,这种说法很难让人买账。

    呃,对中国而言,这个倒不是问题。。。。。

    [5] 评论
  • 7楼
    2016-07-25 16:48 天降龙虾
    引用@傻缺青年 的话:希望能尽快开发出来,然后尽量减小体积,能够用在卫星推进上……至少觉得比曲率引擎什么的靠谱多了……

    用在卫星上就算了,还是用在飞船上吧。。。。嗯,只要不碰上“水滴”就行。。。。

    [3] 评论
  • 8楼
    2016-07-25 16:49 天降龙虾
    引用@疑叶滋秋 的话:如果说安全可控的核聚变能广泛推行的话,环境会比现在好得多啊→_→

    电价也有望低得多啊。。。。

    [3] 评论
  • 9楼
    2016-07-25 16:53 疑叶滋秋
    引用@天降龙虾 的话:电价也有望低得多啊。。。。

    是啊,有生之年系列。。

    来自 果壳的壳
    [2] 评论
  • 10楼
    2016-07-25 16:54 有人
    引用@天降龙虾 的话:英国脱欧了,这装置的命运会如何??????



    http://mil.news.sina.com.cn/dgby/2016-06-16/doc-ifxtfrrf0478124.shtml


    英国脱欧公投倒计时 欧洲最大核反应堆命运未卜
    2016年06月16日 18:40 综合

    [2] 评论
  • 11楼
    2016-07-25 16:57 _M种子

    说到底还是现在石油,煤炭太多啊。。。

    [3] 评论
  • 12楼
    2016-07-25 17:00 天降龙虾
    引用@有人 的话: http://mil.news.sina.com.cn/dgby/2016-06-16/doc-ifxtfrrf0478124.shtml 英国脱欧公投倒计时 欧洲最大核反应堆命运未卜2016年0...

    哦。。就目前国际形势来看,俺还是期待中国自己的进展吧。。。。。ITER估计比JET更加前途堪忧。。。

    [2] 评论
  • 13楼
    2016-07-25 17:02 光-0430

    若是能成,是不是就能永远解决能源危机了?

    [0] 评论
  • 14楼
    2016-07-25 17:17 有人
    引用@光-1989 的话:若是能成,是不是就能永远解决能源危机了?


    不一定。

    只能说,按照人类目的的能源消耗能力,可以用上几百万年了,甚至上千万年了。

    但是,人类消耗能源的能力,是永无止境的。

    万一将来人类需要私家宇宙飞船呢?

    我家住在火星,我想开着私家飞船回地球老家探亲,然后再自驾到冥王星度假,不可以吗?


    那时,我们就得开采木星和土星的氢资源了。

    [5] 评论
  • 15楼
    2016-07-25 17:58 反向延长线.

    这个好说啊,

    三十而粒嘛!!

    来自 果壳的核
    [2] 评论
  • 16楼
    2016-07-25 18:21

    需求造就科技

    [0] 评论
  • 17楼
    2016-07-25 18:58 脂肪酸钠
    引用文章内容:核聚变总在30年以后

    忽然想起一个笑话:

    某女发短信给某男:“你什么时候才能来?”

    该男回复:“五分钟后。你要是等急了,请你再看一遍这条短信。”


    [23] 评论
  • 18楼
    2016-07-25 19:56 5美金

    我想知道要是真造出来,还出了重大事故,可能会产生哪些破坏。

    [0] 评论
  • 19楼
    2016-07-25 20:14 我寂寞寂寞才好

    这篇文章的主题是核聚变的到来取决于人类到底有多么需要它。

    [1] 评论
  • 20楼
    2016-07-25 20:56 dxmpl
    引用@傻缺青年 的话:希望能尽快开发出来,然后尽量减小体积,能够用在卫星推进上……至少觉得比曲率引擎什么的靠谱多了……

    这玩意用到卫星推进上似乎没卵用呀...还得要工质...还不如传统火箭推进器。。。起码自带工质。。。除非用粒子加速器加速一坨超高速粒子。。。但这么搞的话那卫星得多大个呀。。。

    [0] 评论
  • 21楼
    2016-07-25 20:58 partigiano

    可以肯定的是,目前欧美能源缺口比较小,确实没什么动力。真正需要它的是中国印度这样的人多资源少的发展中国家,或许还有印尼,越南,菲律宾之类的吧。

    [0] 评论
  • 22楼
    2016-07-25 21:37 隔壁的王叔

    感觉这个要是真的被鼓搞出来,站在普通人立场来看,目前人类历史上的任何一个事件和它相比都相形见拙啊。

    [2] 评论
  • 23楼
    2016-07-25 21:47 梦游侠

    核聚变其实早就准备好了,氢弹也早就炸响过了,只是.....没有什么人类设施能够顶住而已..........所以,我们一直在努力的教核聚变学会如何温柔,哪怕是温柔一点.....

    来自 广告位招租
    [2] 评论
  • 24楼
    2016-07-25 22:04 有人
    引用@StarCraftss 的话:我想知道要是真造出来,还出了重大事故,可能会产生哪些破坏。


    除电厂本身外,不会对周边造成重大破坏的,他的爆炸的能量,只是正在反应的那部分燃料的能量而已。

    可能会有少量次生核辐射,但与现在的核裂变电厂事故相比,可以说相当少了,很好处理。

    [3] 评论
  • 25楼
    2016-07-25 22:05 有人
    引用@partigiano 的话:可以肯定的是,目前欧美能源缺口比较小,确实没什么动力。真正需要它的是中国印度这样的人多资源少的发展中国家,或许还有印尼,越南,菲律宾之类的吧。


    日本。

    [1] 评论
  • 26楼
    2016-07-25 22:24 我开心vacation
    引用文章内容:核聚变会在社会需要它的时候准备就绪。”

    lighting storm really -----Ra2

    [0] 评论
  • 27楼
    2016-07-26 10:39 中子星脉冲

    我有一个美丽的愿望,长大以后能播种太阳

    看来多年以前,我们就有计划了。。。

    [2] 评论
  • 28楼
    2016-07-26 11:43 拼音佳佳2

    这玩意有点像柴油机,压缩,升压,聚变做功,膨胀做功对外输出能量,然后利用惯性再压缩,循环...

    [2] 评论
  • 29楼
    2016-07-26 11:57 爱抚

    说不定就点错科技树了呢,说不定将来最划算的电能是大中小型充电燃料电池+太空太阳能电站呢

    [0] 评论
  • 30楼
    2016-07-26 12:40 上条大雄

    推荐大家看看一本书:瓶中的太阳:核聚变的怪异历史(美)查尔斯·塞费,以及网上的一个帖子,最早发在天涯上,作者好像是南京邮电大学的教授:范式春梦中的地球工业文明:低熵体的困境和下一级技术台阶

    看完这两样,总感觉这辈子都看不到可控核聚变商业化...

    [2] 评论

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Nathaniel Scharping
Nathaniel Scharping Discovery杂志特约撰稿人

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