押寶終極能源,可控核聚變究竟是什麼?

2023-05-25     電動湃

原標題:押寶終極能源,可控核聚變究竟是什麼?

根據路透社的報道,蔚來已經投資了一家開發核聚變技術的初創公司。這家新成立的公司名叫Neo Fusion,將研究和開發旨在20年內將可控核聚變技術用於全球商業用途的技術。

在去年(2022年),蔚來和米哈游共同投資了核聚變能源公司「能量奇點」,該公司致力於探索核聚變的各種不同形式。

根據公開資料顯示,世界範圍內不少企業,都將目光放到了這一潛在的、新興的能源形式上。

其中,就有OpenAI的執行長山姆·阿爾特曼向一家名為Helion Energy的核聚變初創公司投入了3.75億美元。

另外,亞馬遜創始人傑夫·貝索斯則投資了加拿大核聚變公司General Fusion;微軟公司則已與核聚變初創公司Helion Energy簽署購電協議,將於2028年從其購買電力。

當然,作為一家汽車媒體,我們更關心的是,在有生之年,我們是否能見證可控核聚變的商用化,甚至能否開上「核動力」汽車?

說起「核」,首先進入腦海的,除了一些奇奇怪怪的想法外,離我們生活最近的就是核電站。

這裡的「核」,指的就是核裂變。裂變能是重元素(如鈾、鈽、釷等)的原子核在分裂成質量較輕的原子核過程中釋放的能量。

目前人類已經掌握了可以控制分裂過程的技術,因此目前世界上所有的核電站都是通過可控裂變過程產生的「裂變能」進行發電的。

優點在於少量的原料就能產生巨大的電能,對環境污染少,且不會對化石燃料產生依賴。

至於缺點,補完美劇《車諾比》後,你可能就會有更切實的了解。同時,鈾、鈽等資源總量也十分有限。

除了核裂變外,在宇宙中,還有種普遍存在的核反應——核聚變。

核聚變是恆星(如太陽)的能量來源。其是指由質量小的原子核,主要是氘、氚和氦-3等,在一定條件下(如超高溫和高壓)發生原子核互相聚合作用,生成新的質量更重的原子核,並伴隨著巨大能量釋放的一種核反應形式。

相比核裂變,核聚變有著十分重要的兩大優點。首先,核聚變不會產生長壽命和高輻射的核廢料,也不會產生溫室氣體,因此基本不會對環境產生污染。

其次,地球上蘊藏的「核聚變能」遠比「核裂變能」豐富得多。

據估算,每升海水中就含有0.03g氘。雖然這個數量聽上去並不多,但通過核聚變後能提供相當於300L汽油燃燒後釋放出的能量。如果按照一輛家用車換算的話,可以讓它行駛接近4000km。

地球上,僅在海水中就有45萬億噸氘,按照目前世界能源的消耗率換算,地球上蘊含的核聚變能可用100億年以上。因此理論上,核聚變能可用稱為人類「取之不盡,用之不竭」的能源。

這也就不難解釋,為什麼如此多的行業大佬,會將視野放在「新興能源」領域了。

實際上,可控核聚變的歷史可以追溯到二戰後的20世紀50年代。

當時,前蘇聯物理學家、托卡馬克之父Lev Artsimovich說過一句至理名言:

「當整個社會都需要的時候,聚變就會實現。」

雖然當時的科學家已經意識到了核聚變能帶來的優勢,但隨即發現,要實現可控核聚變,卻是一件非常困難的事情——

原子核帶正電,它們之間存在很強的排斥力,要讓聚變發生,原子核必須具有極高的動能才能克服排斥力,這要求燃料需要被加熱至超過1億攝氏度的高溫,這個溫度已經遠超太陽表面。

此外,要讓足夠多的聚變發生,單位體積中原子核數目必須非常大,這樣原子核之間才能頻繁地碰撞、發生聚變。當然,讓原子核長時間處於能夠發生聚變的狀態,也可以獲得更多的聚變能量。

因此,一個系統的核聚變性能與原子核平均動能(溫度)、原子核數密度(密度)和原子核處於能夠發生聚變的時間(約束時間)三者直接相關。

於是,在過去的幾十年里,經過科學家們的不屑努力,核聚變仍然沒有能夠達到足以商用發電的水準,甚至曾一度沒有實現輸出能量大於輸入能量的能量增益。

用中文說,就是在目前大部分的實驗中,需要引發核聚變所需要的能量遠大於核聚變真正產生的能量。

核聚變反應的過程如同洪水猛獸一般,使得科學家很難預測它的狀態,進而難以被約束在人類設計的牢籠中並達到聚變的條件。

目前,有兩種形式被認為有潛力實現可控核聚變。其中,Lev Artsimovich設計的托卡馬克約束構型被設計成了一個類似甜甜圈的形狀,通過設計磁場在甜甜圈內部約束聚變等離子體,並有望在高溫低密的條件下實現長時間運行。

在去年,中國托卡馬克裝置就實現了7000攝氏度的溫度下持續放電1000秒,創造了世界紀錄,仍未獲得能量增益。

此外,中國、歐盟、韓國、俄羅斯、日本、印度和美國正著手共同見草國際熱核聚變實驗堆(ITER),以驗證和平利用核聚變能的科學和技術可行性。

雷射慣性約束聚變是美國國家點火裝置採用的方案,通過雷射點燃裝有氘氚聚變燃料的球形靶丸,在靶丸表面形成高溫高亞的等離子體,利用反衝擊力,驅動燃料向心聚爆,壓縮和加熱聚變燃料等離子體至高溫度高密度狀態,達到聚變點火條件。

其整個過程,有些類似於汽車發動機運轉過程中,火花塞點燃了油汽混合氣後,產生了推動活塞往復運動的力。

在這次實驗過程中,釋放了3.15MJ的聚能變量,相較於注入的2.05MJ能量,首次產生了54%的凈能量收益,成為了實現清潔能源的里程碑。

至於真正能夠實現可控核聚變商用化,是未來30年?或是50年?可以保持期待,但總覺得還是「遙遙無期」。

恆星依靠天然的引力,可以讓原子核打破核融合所需要克服的靜電能量壁壘,跨越庫侖勢壘,也實現了近乎完美的約束。

而我們卻不得不依靠外加的能量以及強大的磁場,以期在地球上並不完美地複製這一過程。

人類對恆星巨大能源的追求是值得尊重的,但這其中所遇到的前所未有的困難也是合乎常理的。如果我們看到了另一種可能性呢?

那近乎無限的能量或許是存在的,只不過它被自然鎖在了那扇門後面。只是除了引力這把鑰匙之外,我們需要找到另一把鑰匙。而那把鑰匙,還沒有真正被找到。

文章來源: https://twgreatdaily.com/zh/71ca9b67442c9350f58dcfb9451a2204.html