中国商用可控核聚变堆实现在即,还是在陕西?

中国新闻 科技 编辑精选

国内首个商用可控核聚变堆将建成,还是在陕西???

一觉醒来,可控核聚变要商用的消息就刷了屏,不少网友已经在脑补“是不是能用上可控核聚变发的电了”。



再仔细一看,事情似乎没那么简单——

新闻里提到的这个商用化的可控核聚变项目,连装置都还没搭好……




要知道,国外的ITER、国内合肥的EAST已经做了好些年了,可控核聚变“商业化”也只敢保守地提一句“三十年内实现”。

这个连装置都还在搭建中的可控核聚变堆,真就能成我国首个商用项目了?

陕西这个项目,究竟是个啥?

新闻中提到的这个项目,由陕西星环聚能科技有限公司(以下简称“星环聚能”)实施,技术源自清华大学核聚变团队。

据团队介绍,他们提出和设计的基于球形托卡马克的紧凑型重复重联聚变反应堆(CTRFR),有望极大减少繁冗的辅助设备,显著降低聚变堆的复杂度,并提高氚增殖率。


△星环聚能可控核聚变装置原理图
在建的反应堆,则号称是“我国首个小型化和快速迭代的商用可控核聚变反应堆”。

虽然据36氪披露,星环聚能目前只有20多名员工,不过就在今年6月,这家公司获得了一批数亿元的融资,由顺为资本、联想之星等10多家机构联合完成。

拿到钱就开工,目前这家公司已完成实验基地改造。

据星环聚能创始人介绍,球形托卡马克装置的安装部件已全部入场,预计在今年十一(国庆节)之前彻底完成一代装置组装。



知乎@鱼昆 是实验室项目组员,他透露部件已于这周开始组装,现在组里做实验的同学基本都在西安搭建这个装置。

但这个装置搭好后,真的就是建成了吗?



对此创始人表示:

目前这个项目只是一个“零号机”,只是为了验证整个方案的科学可行性。

也就是说,这个反应堆,是为后续商业可行性夯实理论基础,并不会产生实际的聚变效果。

至于不少网友期待的“并网发电”,可能还得再等等等等等等一段时间……

不过,这家公司表示,如果明年进度符合预期,他们将实现加热等离子体到1.5 keV(约1700万摄氏度,比太阳核心温度还高)的目标。

也就是说,如果这个可控核聚变堆要是建成后真的能商用,也不失为一个突破。

为什么网友们还是纷纷发出鲁豫的声音?


首先得说说可控核聚变是怎么一回事。

核聚变,简单来说就是在超高温或高压条件下,把两个较轻的原子核结合,形成一个较重的原子核(和一个极轻的原子核)的过程。

这个过程会以极高的效率释放巨大的能量,而且污染小,效率高,一旦做到“可控”,能创造巨大的能源价值。

但注意,可控核聚变的难度,并非难在核聚变,而是“可控”上。

为了达到“可控”,需要约束超高温或高压条件下等离子体状态的物质,目前一般会采用惯性约束和磁场约束这两种方法。


△图源量子位B站视频
现在的主流磁约束聚变装置就是托卡马克,它的性能好、研究也比较充分。星环聚能就采用的是球形托卡马克。

再进一步说,如果能商用在聚变能电站、大中型船舶、海上作业平台等,人类似乎能从此获得取之不竭的清洁能源。

所以,可控核聚变的研究征程已经很长了,不少都正在推进。

比如集多国之力的“国际热核聚变实验堆(ITER)计划”,早在37年前(1985年)就提出了。

ITER计划要首次建造可实现大规模聚变反应的聚变实验堆,其装置也是一个托卡马克。


△ITER组装现场(图源ITER官网)
1988年,实验堆开始研究设计,历时13年、耗资15亿美元,最终于2001年完成。2006年,中国也正式加入该计划。

坏消息是,至今35个参与国已花费超240亿美元,ITER计划仍未实现。



好消息是,目前ITER的竣工计划定在了2026年前。

此外,包括英国的托卡马克装置欧洲联合环(JET)、合肥的“人造太阳”EAST也在尝试刷新可控核聚变的相关数据纪录。


△2018年度EAST实现的1亿度等离子体放电
其中,EAST已于2018年,在10兆瓦加热功率下,实现了1亿度高温;2021年,EAST成功实现了可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行。

我国商业化进展究竟如何

确切来说,目前在做的商业可控核聚变公司主要有3家。

包括星环聚能在内,其他两家的路线也基本相同——都是基于磁性约束原理,也就是采用托卡马克装置。

虽然新闻中宣称星环聚能将建成“国内首个商用可控核聚变堆”,但项目相关成员、来自清华大学等离子体科学与聚变实验室的@鱼昆指出,最早的商用堆应该是“玄龙-50”。


“玄龙-50”是国内的首座中等规模球形托卡马克聚变实验装置,于2019年在河北廊坊建成,并实现了第一次等离子体放电。

也就是说,最早做商用可控核聚变堆的是旗下有一家能源公司的新奥集团,“玄龙-50”就是他们做出来的。



根据公司官网给出的路线图来看,目前这个装置仍然在进行物理实验、并准备进行相应的验证和优化,计划在30年内实现聚变能源商业化。

另一家公司能量奇点,与星环聚能一样都是在2021年成立的。



去年6月,能量奇点获得了近4亿元的天使轮投资,由米哈游和蔚来资本领投。

但在进展上,这家公司的装置还在搭建,离商用化也还有20年左右的时间。



具体来说,能量奇点计划在2024年研发和建成基于全高温超导磁体的紧凑型托卡马克实验装置,运行并点亮等离子体。

 

随后,他们打算在5~7年内建成等效Q>1的先进高温超导托卡马克,并在10~15年内建成经济聚变发电商业示范堆。

也就是说,7年左右时间实现这个装置输入能量小于输出能量(不然收不回成本),再在15年内搞定商用化。

所以,这些公司凭什么技术“加速”可控核聚变商用化进程,甚至声称速度比ITER这些项目还快?

一个例子就是在在托卡马克装置关键核心超导磁体的路线选择上。

目前国内外商业公司基本都走高温超导路线,但大型研究项目包括中科院的EAST和国际上的ITER,却都是基于低温超导的。

(注意,在超导中,室温比“高温”的温度要高)

毕竟低温超导磁线圈的磁场强度限制,会导致设备又大又贵,不容易商业化。

但高温超导磁场技术则在最近十年取得了很大进步,其最高磁场强度范围比低温磁线圈更广(《Journal of Fusion Energy》),从而让托卡马克装置得以小型化、造价更低。

目前,这波能源投资的风气,已经刮到了海内外。

据美国《新闻周刊》披露,2022年,核聚变领域的私人投资额激增,短短一年的投资额就超过此前的投资总额。

国外科技巨头也想“十年搞定商用化”

不止国内掀起的一波可控核聚变投资热,近两年这类项目在国外也很火。

一方面是国家政策上。不仅原本打算放弃核能的韩国和德国,开始修订“放弃核能”的计划,欧美也开始加大对核能相关项目的扶持。

另一方面是科技巨头和个人投资者的入局。据Fastcompany介绍,微软的比尔·盖茨和亚马逊的贝佐斯,已经在核聚变相关的公司上砸了接近34亿美元。

当然,与国内基本专注于托卡马克装置路线不同的是,目前国外的30多家可控核聚变商业公司中,已经出现了磁性约束和惯性约束两种路线。

其中磁性约束的代表,则要属由MIT创立、获得了谷歌和比尔盖茨投资的美国初创公司CFS。

△图源CFS

嗯,就是声称要在2025年实现可控核聚变商业发电(供热)的那家公司,比ITER竣工甚至还早一年。

这家公司的计划也是做托卡马克装置,目前最大的进展是研发出了一种能实现高达20T(特斯拉)磁场的高温超导磁体。



注意,即使是ITER使用的超导磁体,磁场强度最高也只能达到5.3T。如果CFS真的实现了高达20T的强磁场,意味着能大大缩小托卡马克的体积。


△钢铁侠用的就是超小型可控核聚变装置

惯性约束的代表,则是一家位于英国牛津的核聚变技术First Light Fusion,他们打造的可控核聚变装置叫做“Big Friendly Gun”。

这个装置长约22米,重25000公斤,能以超音速近19.11倍的飞行速度发射100克的射弹,通过射弹高速压缩靶丸内部燃料,就能达到聚变所需的压力和温度。



值得一提的是,这家公司画出的大饼更诱人——通过这个装置,能让一度的电价格低于0.05美元(约3毛钱)。

除了商用公司,也有其他公司在“顺道”进行这方面的研究。

例如今年年初,AI公司DeepMind就在Nature上发表了一项研究,宣称成功实现了用AI来动态控制托卡马克的磁场,从而精准控制内部的等离子体。

所以,这些科技公司是否能比国际研究项目更快地研究出商用化的可控核聚变装置?

我们过几年就知道了(手动狗头)。

来源: 量子位

 1,086 views