获 Google、比尔盖茨投资的核融合反应炉开始建设,「能源自由」何时来?

「人造太阳」指的是核融合反应装置,核融合是由质量较小的原子,如氢同位素氘、氚,极高温下使两个原子核相互碰撞融合,生成更重的原子核,通常是氦的同位素。反应过程产生巨大能量,与太阳等恒星内部反应相同,故核融合反应装置称为「人造太阳」。

获 Google、比尔盖茨投资的核融合反应炉开始建设,「能源自由」何时来?

目前核能利用几乎都是核分裂,想要稳定的核能,核融合更值得尝试。不久前比尔盖兹、Google 和许多私募股权公司等投资的核融合公司 Commonwealth Fusion Systems(CFS),开始着手建设约 47 英亩的核融合反应炉。

虽然目前对此反应炉装置设计及具体方案没有太多详细资讯,但表明人们利用核融合又迈进一步。人类历史发展总离不开能源变化,过去几世纪,我们从地壳取得化石燃料,产生电,之后文明迅速发展。

但化石燃料等非可再生能源也带来滚滚浓烟和许多环境问题,就连不可再生造成的能源短缺也成了问题。想解决问题,让人类继续与地球共存,寻找新能源迫在眉睫。太阳能及风能、水能、生物能等这些可再生的清洁能源,污染程度小且本身可以再生,但又受自然条件限制,故利用率有待提高。

比起这些能源,不少人更青睐核能:核能发电污染小且能量密度高,利用效率也更高,不少国家有核电厂,但几乎都是利用核分裂发电。反应炉的放射性物质与发电时过多废热与热污染该如何处理,至今几起核电厂事故也足以说明这是不可忽视的问题。

获 Google、比尔盖茨投资的核融合反应炉开始建设,「能源自由」何时来?

探索新能源的路上,人们把希望投向效果更好的核融合。与核分裂相比,同样放出巨大能量,且核融合能量是核分裂数倍多。其次核融合产生的废料更好处理。核融合原料(通常是氢的同位素氘、氚)海水含量丰富,且可经加工锂基材料取得。

核融合利用效果虽好,但想可控制发电,需达成几个难度极高的条件:反应炉核心温度达至少 1.5 亿 °C;参与反应的等离子体要有足够密度;融合反应要维持够长时间。从 1950 年代开始,科学家就开始研究达成这些条件的反应装置。

目前可行性较大的可控核融合反应装置是超导托克马克,利用磁场控制核融合的环形容器,如国际热核融合实验反应炉(ITER)就是这种装置,2020 年正式进入最后安装阶段。比尔盖兹、Google 等投资的 CFS 公司研究的 SPARC 装置也是基于托卡马克设计。

中国科学院合肥物质科学研究院的全超导托卡马克核聚变实验装置(简称 EAST),2021 年 5 月 28 日也创造世界纪录,可以 1.2 亿 °C 维持 101 秒和 1.6 亿 °C 维持 20 秒等离子体运行。

人类虽非常想发展核融合技术,但困难重重,全世界许多科学家都在努力,如果成功做到,从某种程度来说,人类就有取之不尽用之不竭的能源,到那时,众多科幻小说电影描述的「技术大爆炸」,人类开始探索宇宙深处,或许不再是幻想。

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