电子说
一个清洁、高效、无害、近乎永久的能源。
这像极了《钢铁侠》里的“核聚变方舟反应堆”,虽然这听上去很离谱,但至少在实验室里,我们已经知道它是可行的。
核聚变反应堆正在变成现实,它的成功将改变世界,成为人类历史上最接近完美的人造能源;或者它最终会以失败告终,浪费无数金钱和时间,变成另一台“永动机”。
在地球制造小太阳
太阳能是地球有适宜温度的基础,是植物生长的源泉,是化石燃料的本源,人类也是太阳的子民。
太阳发光发热的本质就是核聚变,它的原理非常简单,当两个原子被仅仅挤压,并最终融合成一个更大的原子时,就会释放出巨大的能量。
模仿太阳的核聚变发电站,其发电效率远超过人类今天所依赖的石油和天然气等化石燃料,没有碳排放,比风能和太阳能更稳定,而且原料非常充沛,可以直接从水中获取。
而与现在的核裂变发电站相比,核聚变发电站几乎没有恼人的放射性废料,也不会出现燃料棒熔断的灾难。
遭遇地震和海啸后,福岛3个反应堆发生了堆芯熔毁事故
由于太阳有着巨大的体积,它庞大引力自然地把氢原子和氦原子挤压到一起,但怎么在地球上重现这种环境就成了问题。
从1930年以来,相关的研究就开始了,1985年, 在日内瓦会议上,戈尔巴乔夫和里根总统提出了联合开展核聚变实验的计划,来缓解冷战的争端。
之后国际热核聚变实验反应堆计划(ITER)开始实施,共有35个国家参与,它的实验装置预算超过了200亿美元,中国也承担了其中9%的资金支出。
想要实现核聚变,就要还原出太阳内部的环境。
ITER使用一种叫做“托卡马克”(tokamak)的环形装置,它的整体造型有点像古罗马斗兽场,大小如同一个露天体育场,整个装置的复杂程度超过了人类创造的任何一个建筑。
2017年
托卡马克装置外围是混凝土结构,中间包裹着巨大的超导电磁铁和高约百米的不锈钢真空管。
当设备运转时,在真空管内会产生出燃烧等离子体,在这里,等离子体被加热到极高的温度,装置内部材料本身就需要能承受超过1亿摄氏度的高温,最后由热量产生蒸汽,为涡轮机提供动力发电。
由于工程设计、管理、和政治因素,这个装置的进展一直缓慢,但最主要的原因可能还是在于它的难度。
装置本身的规模不亚于船舶,但对精度的要求则达到了瑞士手表的等级。而按照目前的进度,装置最早也要等到2035年完成。
官方背后,“最不靠谱”的创业公司
核聚变的概念获得了硅谷的追捧。
亚马逊CEO贝索斯投资了General Fusion,微软联合创始人保罗艾伦投资了三阿尔法能源;硅谷著名投资人,PayPal联合创始人Peter Thiel投资了Helion Energy。
自1970年以来,政府投资核聚变的研究经费就不断缩减,导致科学家放弃了很多理论和模型的测试,直接把资金集中到他们认为最有希望的原型上:托卡马克。
创业公司借助新的资本,开始选择新的路径,启封当年被政府中断的理念和设想,其中磁约束核反应堆(ARC)成了新的方向。
“ARC”与其它的托卡马克式系统稍有不同,它采用了一种由稀土钡铜氧材料制成的超导体,将这种材料制成线圈后,可以产生强大的磁场,能更好地控制反应堆,并让反应堆的体积更小、造价更低,有的设备小到可以放进普通人的客厅。
还有公司尝试将硼元素将入氢燃料中,来降低反应堆的活跃度,让实验变得更加持久可控。
General Fusion则在尝试另一种方法,在装置里加入活塞装置,通过活塞高度压缩产生震荡波,来促成氢原子的融合。
ITER的成立时间太早,构造蓝图早已定型,同时让35个国家一起协作也拖慢了整体进程。
创业公司的优势就是没有那么复杂的层级关系,效率要比政府机构高出不少,而且它没有历史负担,可以运用最新的技术手段,小步快跑,不断根据实验结果进行调整。
比如三阿尔法公司在 2007 年时还在进行混凝土的浇注,一年后,整个装置就已经开始测试了,这让那些习惯了给政府工作的科学家感到不可思议。
短短十年后,三阿尔法就把一个氢气球体加热到了 1000 摄氏度,并保持了5毫秒,而同类政府项目花了大约20年。
但也有不少专家认为,这些创业公司不太可能在这些替代性方案上获得成功。
物理学家 Edward C. Morse 认为政府之所以放弃托卡马克之外的选择,是因为它们做了充分的评估,其它装置就算实验成功,在能效比上也不具备商业价值,目前创业公司的点子都是30年前就存在的,“在核聚变领域,每隔二十年就会有旧点子再冒出来,就跟打地鼠的游戏一样。”
能效比是关键,专家希望聚变反应堆产生的能量超过其耗能的10倍以上,提供“原子弹”般的能量比。但目前的情况是,所有的核聚变实验反应堆都是无底洞,光是加热加压装置本身就消耗了很多电能,却只能把核聚变反应维持几毫秒。
之后还有成本问题,哪怕由小型核聚变反应堆改造的商用发电机,最低预估成本也需要大约30亿美元,没有人会傻到因为它更环保,而放弃使用“白菜价”的石油、煤炭和天然气。
但无论成与不成,人类都在摆脱束缚,试图用科技改变一切,打破自然规律成为自己的神。没有人知道这种未来会更好还是更坏,但技术不会停止它的脚步。
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