ITER托卡馬克裝置將是世界上最大的核聚變裝置，設(shè)計為50MW輸入加熱功率(功率放大比為10)產(chǎn)生500MW聚變功率，有望成為歷史上第一個產(chǎn)生凈能量的聚變裝置。圖片來源：ITER組織官網(wǎng)

據(jù)美國趣味科學(xué)網(wǎng)站近日報道，美國科學(xué)家通過核聚變產(chǎn)生了大量能量，離“聚變點火”這一理想目標(biāo)更進(jìn)了一步。聚變點火意味著，創(chuàng)造的能量比消耗的能量更多，為開發(fā)核聚變這種新清潔能源帶來了希望。

中美日印等國正攜手在法國南部開展“國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆”(ITER)項目，計劃于2025年開始運行。除政府大力投資外，全球還有多家大型科技企業(yè)正致力于促進(jìn)核聚變發(fā)電商用。但要想實現(xiàn)這一目標(biāo)，還有很多問題需要解決。

“人造太陽”備受關(guān)注

核聚變與目前核電站使用的裂變技術(shù)不同。在裂變過程中，重原子核的各條鍵會被打斷，釋放出能量，但這一過程如果不能被控制，就會造成嚴(yán)重核事故。

據(jù)《日本經(jīng)濟(jì)新聞》網(wǎng)站8月20日報道，在聚變過程中，兩個輕原子核會“結(jié)合”到一起，創(chuàng)造出一個重原子核。核聚變需利用原子核內(nèi)有中子的氘(重氫)和氚(超重氫)，達(dá)到高溫時，原子分解成帶正電的原子核和負(fù)電子，形成高速流動的“等離子體”狀態(tài)。在磁場下密閉時，這些物質(zhì)會激烈碰撞融合，產(chǎn)生的巨大能量可以作為熱能有效用于發(fā)電等。理論上，1克燃料產(chǎn)生的能量相當(dāng)于8噸石油。

在包括太陽在內(nèi)的恒星內(nèi)部，進(jìn)行的也是同樣的過程，因此在地上重現(xiàn)核聚變反應(yīng)也叫作“地上的太陽”。

核聚變擁有多個優(yōu)勢。首先，核聚變在燃料不足或等離子體不穩(wěn)定時會停止反應(yīng)，所以其比核裂變更容易控制;其次，雖然核聚變也會產(chǎn)生放射性廢棄物，但它產(chǎn)生的廢物很少，也不會排放溫室氣體;再次，核聚變所需的直接燃料(氘和氚)極易獲取——兩者都可以采用電解水的方式獲取，成本優(yōu)勢顯著。有鑒于此，一些科學(xué)家認(rèn)為核聚變是一種潛在的未來能源。

科技企業(yè)競相發(fā)力

核聚變具有這么多優(yōu)勢，吸引了政府和科技企業(yè)紛紛投入研究。

比如，中美日印等國正在法國南部卡達(dá)拉舍開展ITER項目，目標(biāo)是2025年開始運行，總建設(shè)費用將達(dá)到約250億美元。

據(jù)美國彭博社7月17日消息， 去年12月，美國聯(lián)邦政府通過一項法案，撥付47億美元用于核聚變和相關(guān)研究，其中包括向ITER支付15億美元。美國國家科學(xué)院今年2月發(fā)布了一份報告，建議“能源部和私營部門應(yīng)在2035—2040年間，在美國建造一個核聚變試驗工廠”。

科技企業(yè)也競相發(fā)力。美國微軟創(chuàng)始人比爾·蓋茨援助的初創(chuàng)企業(yè)和美國谷歌正涉足的核聚變發(fā)電研究，目標(biāo)是將其作為脫碳電源實現(xiàn)商用化。麻省理工學(xué)院(MIT)正在與下屬的聯(lián)邦融合系統(tǒng)公司開展一個項目，目標(biāo)是在2025年試制出核聚變反應(yīng)堆，最終目標(biāo)是開發(fā)一座200兆瓦的發(fā)電站。

咨詢機構(gòu)Crunchbase的數(shù)據(jù)顯示，目前，杰夫·貝佐斯、Cenovus能源公司等個人和機構(gòu)已累計對通用聚變(General Fusion)公司投入了約1.27億美元，該公司預(yù)計2025年前在英國建造一款測試設(shè)備，商業(yè)工廠預(yù)計在十年內(nèi)建成。

與此同時，其他類似于通用聚變的多家核聚變初創(chuàng)公司也已獲得來自政府和大型公司的數(shù)十億美元資助，僅以總部位于美國加州的TAE科技公司為例，成立23年來籌集了8.8億美元。

而位于日本茨城縣的國立量子科學(xué)技術(shù)研究開發(fā)機構(gòu)，其實驗研究反應(yīng)堆“JT-60SA”已完成主體建設(shè)，將于2021年建成并開始實驗，預(yù)計將在近期的測試中重現(xiàn)核聚變反應(yīng)所需要的等離子體狀態(tài)。據(jù)悉，目前日本文部省每年度向ITER和“JT-60SA”撥款約2億美元。

此外，東京大學(xué)還將與英國初創(chuàng)企業(yè)托卡馬克能源公司進(jìn)行聯(lián)合研究，年內(nèi)將致力于實施將等離子體溫度提高到1億攝氏度的實驗。東京大學(xué)教授小野靖表示：“初創(chuàng)企業(yè)的優(yōu)勢是速戰(zhàn)速決，目前，整個項目正在有序推進(jìn)。”

不少問題尚待解決

核聚變發(fā)電看起來很有前景，但達(dá)到實用水平所需要的費用和時間還無法預(yù)測。

比如在日本，由哪家民營企業(yè)來負(fù)責(zé)商用化尚未確定。此前，快重子增殖反應(yīng)堆“文殊”一度被視為日本實現(xiàn)資源自給自足的希望而備受期待，投資超過1萬億日元，但最后商用化失敗。《日本經(jīng)濟(jì)新聞》報道稱，如果核聚變發(fā)電項目不明確政企雙方的職責(zé)，就很可能重蹈覆轍。

此外，雖然輻射水平不高，但核聚變發(fā)電仍會產(chǎn)生放射性廢棄物。在日本國內(nèi)，福島核電站事故發(fā)生后，慎重使用核能發(fā)電的輿論增強。要實現(xiàn)商用化，除了考慮成本和技術(shù)開發(fā)之外，還需要得到民眾的理解。

更重要的是，核聚變實施起來相當(dāng)困難。這個過程會產(chǎn)生令人難以置信的高溫，需要大量能量輸入——迄今為止能量輸入一直超過輸出，這是阻撓核聚變成為可行能源的最大“攔路虎”之一。

美國趣味科學(xué)網(wǎng)站在報道中指出，美國國家點火實驗裝置(NIF)的科學(xué)家將包含200束激光的巨型激光陣列集中于一個微小的點，制造出了巨大的能量爆發(fā)，是他們過去制造的能量的8倍。雖然這種能量只持續(xù)了100億分之一秒，但它讓科學(xué)家離“聚變點火”更進(jìn)了一步。

而NIF一位負(fù)責(zé)人杰雷米·奇滕登謹(jǐn)慎地表示：“將這一概念轉(zhuǎn)化為可再生的電力來源，可能是一個漫長的過程，尚需攻克多項重大技術(shù)難關(guān)。”