新能源重大进展突如其来:人类首次在核聚变反应中实现了净能量增益。也就是说,可控核聚变装置输出的能量首次多于输入的能量。“人造太阳”朝商业化迈出了第一步。
12月13日,在经过一天的预热之后,美国能源部(DOE)、美国国家核安全管理局(NNSA)、美国劳伦斯·利弗莫尔(LLNL)国家实验室联合举办新闻发布会,宣布在12月5日进行的一次试验中,他们首次实现了聚变能量超过输入能量,聚变反应的能量增益(Q)大于1。
具体而言,这次试验通过激光器输入了2.05兆焦耳能量,引发核聚变反应,释放了3.15兆焦耳能量,Q达到1.54。这是人类历史上首次在受控核聚变试验中取得这一成就,对于受控核聚变研究而言,是一个重要的里程碑。该消息引起了广泛关注。
若根据电力来比较,每千瓦时电力的能量大约为3.6兆焦耳。换言之,此次核聚变释放出的能量相当于0.875度电,大约可以给一个使用4000毫安时电池的手机充电40次。
美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆在新闻发布会上说:“美国取得了巨大的科学突破。”
这是半个多世纪以来,核聚变科学领域一直在努力实现的一个重要里程碑。
能源多元化创新
此次核聚变试验尽管意义重大,但这一大型激光装置本身效率就很低,驱动激光装置的系统能耗高达322兆焦耳,先要将其转换成2.05兆焦耳的激光器输入能量,然后再激发出3.15兆焦耳的聚变能量。因此,如果考虑整个系统的能量转换效率,那么它还不到1%。
所以说,它不仅尚不稳定,在工程意义上也无法实现能量的增益,距离成为可利用的恒源还十分遥远。
劳伦斯·利弗莫尔国家实验室主任Kimberly Budil在发布会上回答“多久能实现商业化”问题时表示,商业化在科学和工程上面临许多障碍。要实现商业化核聚变,需要每分钟实现很多次点火,需要有一个稳固的驱动系统,也许不需要人们经常说的50年,但也需要几十年时间投入研究才能建成一座商业核聚变发电站。
曾在劳伦斯·利弗莫尔国家实验室担任过高级顾问的美国Carbon Direct首席科学家Julio Friedmann的一个评论颇为精当。他表示,现在取得的突破和商用核聚变的差距,就好比点燃了一根火柴与造出内燃机之间的差距,但这是能源多元化创新必须走的一步。
在中国,同样有激光核聚变的研究布局。
“神光III”位于中国工程物理研究院,2015年完成建设,是世界上投入运行的第二大激光驱动器,也是亚洲最大的高功率激光装置。
今年10月,中国“人造太阳”装置的等离子体电流突破100万安培,创造了新的纪录;国内多家参与核聚变研究的民营企业今年获得了风投机构的青睐,红杉中国、蓝驰创投、中科创星、蔚来资本、联想之星等机构早已跑步进场。不过,有多位业内专家警告称,目前核聚变依然有标准化工作、资本支持、自主技术的商业化应用等问题亟待解决。
研究核聚变的作用是什么?
实际上,随着化石能源日渐稀缺,以及降低温室气体排放等“碳中和、碳达峰”目标,利用核反应产生能量的核能和平开发利用逐渐受到重视。
据国际原子能机构给出的定义,“核聚变”是模仿太阳的原理,使两个较轻的原子核结合成一个较重的原子核并释放出巨大能量的过程。核聚变产生的能量非常大,是核裂变反应的四倍。
从理论上说,只要有几克反应物,就有可能产生一太(万亿)焦耳。这大约是发达国家一个人在60年内所需要的能量。
尽管许多科学家认为建造核聚变发电站还需要几十年时间,但这项技术的潜力不容忽视。
2021年,美国国家科学院、工程和医学院联合发布一份多达93页的报告《将核聚变引人美国电网》,称美国将在2035-2040年建造可运行的核聚变发电厂,并表示到2050年,美国电力公司将全面向零碳发电转变。
不过,这份研究成果经多家媒体报道之后,业内的质疑声不断。一个阅读量达553万的相关知乎问答中,多数答主认为,美国政府对该研究的技术成果有所夸大,实际进展不如预期,很难实现商业化。
中国科学院学部主席团名誉主席、中国科学院原院长白春礼于12月17日在2023《财经》年会上表示,目前激光核聚变具有时间短、发电效率低等特点,在科学领域具有重要意义,可应用于一些特殊领域,距离商业发电还有很长的路要走。白春礼提到,这是世界上首次实现激光核聚变点火,是一个里程碑式的工作,引起了科学界和社会的广泛关注。白春礼还指出,目前科学界认为能源革命和产业转型的重要方向,一是化石能源清洁低碳利用,二是低碳和可再生能源的规模化应用,三是二氧化碳捕集和利用。
这是科学家们首次成功地制造出一种能获得净能量的核聚变反应装置。
虽然在商业上可行之前还有很多步骤,但科学家们必须证明他们可以创造出比开始时更多的能量。否则,开发它就没有多大意义了。
实现梦想还需要几十年
从人类认识核聚变开始,到今天走到这一步一共花了90年时间(1932年,人类发现核聚变程序)。
为什么这么难?
核聚变的难点是,核聚变发生的条件苛刻,需要极高压和高温,而一旦开始,又会瞬间释放能量,难以控制。所以人类对核聚变的首次应用是制造氢弹。“人造太阳”要解决的难题,是采取合适的手段,使得核聚变过程受控。研究人员表示,核聚变能源有一天可以提供清洁、安全、没有温室气体排放的电力。但即使宣布了这一消息,独立科学家们仍然认为,这个梦想还需要几十年时间才能实现。
下一步是什么?
科学家和专家们现在需要弄清楚,如何在更大的范围内,从核聚变中产生更多的能量?
与此同时,他们需要弄清楚,如何最终降低核聚变的成本,以便将其用于商业用途?
科学家还需要收集核聚变产生的能量,并将其转化为电能输送到电网。核聚变技术要想生产出无限量的清洁能源,还需要数十年时间。为了在本世纪末将全球变暖控制在2.7华氏度,世界必须在2030年之前将碳排放量减少近一半,这比发展核聚变所需的时间要短得多。
Kimberly Budil也认为,建造一座核聚变工厂的时间“肯定是几十年”。但他补充说,这种情况可能会改变,“总有突破的可能。”美国能源部的新成果可能有助于推动这一突破。“这样的突破会让更多的人去研究这种形式的聚变,看看我们是否能把它变成一个能源制造系统。”
特斯拉CEO埃隆·马斯克早就有看法:挺酷,行得通,但没必要。因为我们的头顶一直就有一个取之不尽、用之不竭的核聚变反应堆——太阳。
回归我们关注的新能源汽车。
无论马斯克看不看好,可控核聚变商业化应用的意义依然是巨大的。要明确一下,可控核聚变商业化不太可能是安装在车辆上的小型反应堆装置,因其在技术上难度巨大,也不符合汽车消费品本身的属性。
可控核聚变真正的意义在于,使电能取之不尽、用之不竭,成本极低,而且完全实现零碳排放,用车成本几乎可以忽略不计。人类要做的,只剩下建设合理的储能及运能体系,比如马斯克正在规划的锂电池储能站。(综合多家网站报道)