核融合:矽谷為何押注人造明星力量

日期:2022/12/03   IAE

人造恆星產生清潔、廉價、幾乎取之不竭的電力。就像 Wakanda 的振金一樣,聽起來好得令人難以置信。但這正是一些在不斷增長的私人資金支持下的科學家認為,核聚變最早可以在下個十年實現的。

持懷疑態度的人會指出,從事核聚變研究的科學家們一直聲稱距離核聚變還有十年的時間,這比十年要長得多。我們已經擁有可以從太陽、風和海浪中產生清潔、廉價和無限電力的技術。

但是,雖然他們不質疑可再生能源投資的緊迫性或仍有障礙需要克服,但核聚變的倡導者可以指出最近的科學突破。他們認為明星效應可以幫助世界獲得和遠離化石燃料,尤其是在本世紀中葉和末期。

聚變工業協會的一項調查發現,2021 年至 2022 年間,用於核聚變研究的資金增加了一倍多,達到 48 億美元,其中絕大多數來自私人來源。

這些融合企業越來越有信心。在接受調查的公司中,93% 的人認為聚變產生的電力將在 2030 年代或之前併入電網,在 2021 年同一問題上增加了 10%。

資金支持者包括雪佛龍和埃尼等化石燃料公司、美國科技巨頭谷歌和日本企業集團住友。

矽谷的風險資本家也押注於此,例如科技投資者薩姆奧特曼、亞馬遜老闆傑夫貝佐斯和唐納德特朗普支持的億萬富翁彼得泰爾。

什麼是核聚變?

當我們談論核電站和核彈時,我們指的是核裂變。那就是將一個原子核一分為二,產生大量能量,你可以用它來旋轉渦輪機來發電,或者在爆炸中釋放出來。

核聚變通過將氫核碰撞在一起產生熱量並旋轉渦輪機來發電來產生能量。減去渦輪機,這就是太陽和其他恆星產生能量的方式,為地球上的生命提供動力。麻省理工學院 (MIT) 核聚變教授丹尼斯·懷特表示,追求核聚變就是聆聽“大自然”。

“傾聽她的聲音非常重要,”他在 TED 演講中說。 “她已經告訴我們聚變是宇宙的動力源泉。”

它什麼時候啟動並運行?

核聚變開發商的時間表各不相同。

Whyte 與之合作的 Commonwealth Fusion Systems 希望在 2025 年建立並運行一個示範工廠,並在 2030 年代初期向電網出售電力。

美國政府正在與私營公司合作,計劃在 2030 年前後獲得試點工廠。一份政府贊助的 2021 年報告更為保守,指出 2035-40 年是一個合理的目標。

主要由歐盟資助的 Iter 計劃到 2050 年產生“工業規模”的聚變能源。

Iter 的一位發言人告訴 Climate Home,他們在 2 月份取得了突破,當時英國的聯合歐洲環面 (JET) 聚變機產生了創紀錄的能量。

雖然這種能量只夠煮沸 60 個水壺,但發言人表示,這證明了與 Iter 類似的機器 JET 的工作符合預期。

“這表明,如果我們根據設計成功建造 Iter,Iter 機器將按預期運行 - 或更好,”發言人說。

英國脫歐後新成立的高級研究與發明局 (ARIA) 希望通過在 2040 年之前將聚變能源並網來擊敗 Iter。

中國也有聚變計劃。

乾淨嗎?

有點兒。燃燒化石燃料會產生溫室氣體,而聚變反應只會排放氦氣。這不會導致氣候變化,而且吸入是安全的。數以百萬計的父母讓他們的孩子吸入它以用有趣的高音說話。

與核裂變一樣,核聚變會產生放射性物質,必須儲存這些物質直到放射性消失。

佐治亞理工大學核工程教授 Shaheen Dewji 淡化了對這種廢物的擔憂。

她說,“活性成分”將“易於管理”和“不可分散(即金屬片)”,這意味著它們不會造成危險的輻射。她表示,核工業在處理此類廢物方面擁有“豐富的經驗”。

核聚變倡導者說廢物不是“長壽的”,但究竟有多長?

Iter 說它可以在 100 年內回收或再利用,馬克斯普朗克研究所說在 100-500 年後,放射性會下降到與煤灰相似的水平。

這類似於核裂變工業的說法——雖然他們的廢料“在幾十萬年內具有弱放射性,但可能導致健康問題的廢料主要成分的放射性會在幾年內衰減到安全水平一百年”。

安全嗎?

是的。俄克拉哈馬大學的研究表明,美國人將“核能”與“危險”、“輻射”和“爆炸”等詞聯繫在一起。

他們在這裡想到的是核裂變,它在美國轟炸廣島和長崎以及切爾諾貝利核電站爆炸時造成了大規模破壞。

但是,撇開關於裂變安全性的爭論不談,聚變的動力學是完全不同的。

核裂變反應堆必須保持低溫。切爾諾貝利、福島和三哩島核事故都是冷卻失敗的結果。同樣,目前對烏克蘭 Zaporizhzhia 電廠的擔憂是冷卻系統將被禁用。

相比之下,核聚變反應堆必須保持高溫,大約 1 億攝氏度。如果加熱系統關閉,反應就會完全熄滅。

Dewji 說:“原則上,由於發生聚變反應所需的條件,聚變在本質上比裂變更安全(裂變仍然是安全的)。”

建起來便宜嗎?

還沒有。 30,000 名建築工人全天候 24 小時為 Iter 在法國南部建造一座聚變反應堆。它估計耗資 200 億歐元(200 億美元),原定於 2016 年開放。

懷特在麻省理工學院的學生取得了突破,他說這將使反應堆變得更小、成本更低、建造速度更快。

要獲得強大的反應堆,您必須保持其中的物質(等離子體)穩定。太陽通過其巨大的尺寸產生自己的磁場來做到這一點。

為了在地球上做到這一點,聚變反應堆使用強大的甜甜圈形磁鐵。磁鐵越強大,反應堆就越強大。

但是磁鐵的功率是有限的,因為它們依靠通過銅線傳輸的電力運行。如果磁鐵打開超過幾秒鐘,電流會燒掉銅。

懷特向他的麻省理工學院學生提出了這個問題,他們想出了用不會加熱的超導體材料代替銅的解決方案。

使用這些超導體,麻省理工學院的一個名為 Commonwealth Fusion Systems 的衍生公司希望製造更強大的磁鐵來利用等離子體。

由於它們更強大,磁鐵可以比 Iter 的 17 米高的磁鐵更小,反應堆也更小、更便宜、建造起來更快。

跑步便宜嗎?

流行嗎?

現在說還為時過早。 俄克拉荷馬大學研究公眾對核裂變看法的庫希卡·古普塔 (Kuhika Gupta) 告訴氣候之家,“大多數人都會對聚變的想法持開放態度”。

她預測支持將類似於所謂的“先進裂變”反應堆的水平,這些反應堆比現有的核裂變反應堆更受歡迎。

“很多這些最初的觀點都是基於技術樂觀主義和積極的創新理念,”她說,“但隨著技術的發展以及支持和反對核聚變的倡導聯盟的形成,我們可以預期這些最初的觀點會發生轉變。”

一些核聚變支持者想將其稱為“聚變技術”,以避免“核”一詞的負面含義。

本文是關於能源未來的四篇系列文章中的第四篇。