幾十年來核聚變一直是白日做夢,如今商業變現近在眼前?

在眾多有希望的凈零解決方案中,核聚變最突出的優勢在于其規模及雄心。太陽的能量也來自核聚變反應,如果能夠成功復制這一過程,用斯蒂芬·霍金的話說,人類就可以解鎖“取之不盡、用之不竭的能源供應,同時既不會造成污染,也不會使全球變暖?!比欢?,幾十年來,核聚變領域進展緩慢,哪怕有一些突破,也是時斷時續。
這種情況可能即將改變。得益于廣泛的國際合作及數以億計的公私投資,科學家們最近在核聚變反應的持續時間和功率輸出方面取得了一系列有意義的進展。
傳統核電站的能量源自核裂變,即原子發生分裂,核聚變指的是一對輕原子核結合形成一個較重的原子核。核聚變發生時,大量能量得到釋放:相當于裂變的四倍、燃燒化石燃料的近400萬倍。從安全性上看,核熔毀事故幾乎不可能發生,而且只會產生少量壽命相當短暫的放射性廢物。
在中國、俄羅斯、美國和幾個歐洲國家政府的支持下,一個由全球物理學家組成的聯盟正在努力將核聚變不可思議的前景變成現實。由于得到了源源不斷的資金注入,科學家們最近取得了一系列重大進展,解決了若干科學難題——尤其是觸發核聚變反應所需的超高溫度。在太陽中心,原子的結合發生在大約1,000萬攝氏度左右;地球引力要小得多,因此需要的熱量至少是太陽上的10倍。
由于目前沒有任何材料能夠承受如此高溫,科學家們設計了不同的方法來約束超高溫等離子體(發生聚變的帶電粒子云),以確保能量持續輸出。位于美國加利福尼亞州的國家點火裝置(National Ignition Facility)正在研發如何利用高功率激光將聚變燃料壓縮到微小空間中,而世界其他地區的研究人員則傾向于通過強磁場來約束聚變燃料。
充滿希望的進展
歐洲聯合環(Joint European Torus)是后一個研究領域的先驅。位于英國的歐洲聯合環實驗室最近打破了自己的核聚變能量世界紀錄,成功輸出了相對較高的熱能水平并保持了5秒。其中輸出的能量略低于60兆焦耳——只夠燒開幾十個水壺——但它標志著在追尋可持續核聚變能量的道路上邁出了重要一步。
“5秒的脈沖和59焦耳的能量可能聽起來不多,但這表明我們有能力實現持續放電,創造高核聚變產額?!睔W洲聯合環研究團隊的聯合負責人、核物理學家若埃勒·馬尤說?!拔覀儸F在畫出了一張藍圖,可以在未來擴大作業規模,爭取大幅提升輸出時間?!?/p>
然而,全球核聚變研究仍然面臨巨大障礙。歐洲聯合環上述打破紀錄的實驗消耗的能量比產生的能量大得多——目前全球任何團隊都未能成功從核聚變中獲得凈能量——而用來控制等離子體的磁鐵升溫過快,無法長時間操作。
盡管如此,研究還是取得了一些進展。今年早些時候,中國科學家成功實現了一次維持17分鐘的核聚變反應,盡管該實驗使用的燃料不適合用于大規模發電。然后是國際熱核聚變實驗堆(International Thermonuclear Experimental Reactor)計劃,這是全球最雄心勃勃的核聚變項目,如果一切順利,將在本世紀20年代中期投入使用。
位于法國南部的國際熱核聚變實驗堆的設施正在建設中,借鑒即將退役的歐洲聯合環項目的數據,規模比后者要大得多,它使用的是能夠承受更高溫度的材料,理論上可以讓核聚變實驗持續足夠長時間,從而實現輸出的能量大于消耗。但專家們表示,這在本世紀40年代末之前都不太可能實現,等它成功了,也不確定何時才能夠提高聚變能量的成本效益。
“雨后春筍般的初創企業”
另一個嚴峻的問題與氫的兩種同位素——氘和氚有關,需要它們為國際熱核聚變實驗堆的核聚變反應提供燃料。氘可以從海水中大量提取,但氚則異常罕見(據信全世界只存在20千克氚)。為了克服這個問題,人們正在探索在核聚變過程中“繁殖”氚的技術,馬尤說,這項技術可能需要幾十年才能夠實現。
私營企業進場了。近年來,在數以億計的風投資金的推動下,涌現了一批尋求替代性解決方案的初創公司。其中包括谷歌(Google)和雪佛龍(Chevron)支持的TAE Technologies公司,這家公司位于美國加州,正在研發無氚聚變反應堆。
TAE的首席執行官米希爾·賓德鮑爾認為,通過用非放射性的氫-硼替代稀缺的氫同位素氚,他的團隊可以規避燃料可用性問題,最快在本世紀30年代初就能夠實現商業能源生產。
“我們的機器比其他核聚變反應堆要小得多;一臺機器可以提供一個小城市的電力,大約是兩輛雙層巴士的大小?!辟e德鮑爾說,“這意味著它們更容易集中生產,釋放規模經濟效應?!?/p>
TAE對成本的前景也很樂觀——賓德鮑爾稱,一開始每千瓦時的成本差不多會處于中間位置,介于核裂變的高價和天然氣的低價之間。隨著生產復雜零部件的成本下降,能源成本也會下降。
然而,全球科學界并非所有人都如此自信。位于澳大利亞的格里菲斯大學(Griffith University)的綠色能源專家、名譽教授伊恩·洛在20世紀60年代還是一名物理學本科生,那時他第一次聽說核聚變能源的商業化,當時的預測是至少還需要50年。半個多世紀過去了,他擔心還需要50年。
“是的,已經有了令人激動的進展,但歸根結底,目前每一個有希望的核聚變反應堆都仍然處于研究階段,而我們現在就需要清潔能源解決方案?!甭逭f,“我們已經擁有了能夠生產高性價比零碳電力的可再生能源,擴大這類能源的規模才應該是當下的重點?!保ㄘ敻恢形木W)
譯者:Agatha
在眾多有希望的凈零解決方案中,核聚變最突出的優勢在于其規模及雄心。太陽的能量也來自核聚變反應,如果能夠成功復制這一過程,用斯蒂芬·霍金的話說,人類就可以解鎖“取之不盡、用之不竭的能源供應,同時既不會造成污染,也不會使全球變暖?!比欢?,幾十年來,核聚變領域進展緩慢,哪怕有一些突破,也是時斷時續。
這種情況可能即將改變。得益于廣泛的國際合作及數以億計的公私投資,科學家們最近在核聚變反應的持續時間和功率輸出方面取得了一系列有意義的進展。
傳統核電站的能量源自核裂變,即原子發生分裂,核聚變指的是一對輕原子核結合形成一個較重的原子核。核聚變發生時,大量能量得到釋放:相當于裂變的四倍、燃燒化石燃料的近400萬倍。從安全性上看,核熔毀事故幾乎不可能發生,而且只會產生少量壽命相當短暫的放射性廢物。
在中國、俄羅斯、美國和幾個歐洲國家政府的支持下,一個由全球物理學家組成的聯盟正在努力將核聚變不可思議的前景變成現實。由于得到了源源不斷的資金注入,科學家們最近取得了一系列重大進展,解決了若干科學難題——尤其是觸發核聚變反應所需的超高溫度。在太陽中心,原子的結合發生在大約1,000萬攝氏度左右;地球引力要小得多,因此需要的熱量至少是太陽上的10倍。
由于目前沒有任何材料能夠承受如此高溫,科學家們設計了不同的方法來約束超高溫等離子體(發生聚變的帶電粒子云),以確保能量持續輸出。位于美國加利福尼亞州的國家點火裝置(National Ignition Facility)正在研發如何利用高功率激光將聚變燃料壓縮到微小空間中,而世界其他地區的研究人員則傾向于通過強磁場來約束聚變燃料。
充滿希望的進展
歐洲聯合環(Joint European Torus)是后一個研究領域的先驅。位于英國的歐洲聯合環實驗室最近打破了自己的核聚變能量世界紀錄,成功輸出了相對較高的熱能水平并保持了5秒。其中輸出的能量略低于60兆焦耳——只夠燒開幾十個水壺——但它標志著在追尋可持續核聚變能量的道路上邁出了重要一步。
“5秒的脈沖和59焦耳的能量可能聽起來不多,但這表明我們有能力實現持續放電,創造高核聚變產額?!睔W洲聯合環研究團隊的聯合負責人、核物理學家若埃勒·馬尤說?!拔覀儸F在畫出了一張藍圖,可以在未來擴大作業規模,爭取大幅提升輸出時間?!?/p>
然而,全球核聚變研究仍然面臨巨大障礙。歐洲聯合環上述打破紀錄的實驗消耗的能量比產生的能量大得多——目前全球任何團隊都未能成功從核聚變中獲得凈能量——而用來控制等離子體的磁鐵升溫過快,無法長時間操作。
盡管如此,研究還是取得了一些進展。今年早些時候,中國科學家成功實現了一次維持17分鐘的核聚變反應,盡管該實驗使用的燃料不適合用于大規模發電。然后是國際熱核聚變實驗堆(International Thermonuclear Experimental Reactor)計劃,這是全球最雄心勃勃的核聚變項目,如果一切順利,將在本世紀20年代中期投入使用。
位于法國南部的國際熱核聚變實驗堆的設施正在建設中,借鑒即將退役的歐洲聯合環項目的數據,規模比后者要大得多,它使用的是能夠承受更高溫度的材料,理論上可以讓核聚變實驗持續足夠長時間,從而實現輸出的能量大于消耗。但專家們表示,這在本世紀40年代末之前都不太可能實現,等它成功了,也不確定何時才能夠提高聚變能量的成本效益。
“雨后春筍般的初創企業”
另一個嚴峻的問題與氫的兩種同位素——氘和氚有關,需要它們為國際熱核聚變實驗堆的核聚變反應提供燃料。氘可以從海水中大量提取,但氚則異常罕見(據信全世界只存在20千克氚)。為了克服這個問題,人們正在探索在核聚變過程中“繁殖”氚的技術,馬尤說,這項技術可能需要幾十年才能夠實現。
私營企業進場了。近年來,在數以億計的風投資金的推動下,涌現了一批尋求替代性解決方案的初創公司。其中包括谷歌(Google)和雪佛龍(Chevron)支持的TAE Technologies公司,這家公司位于美國加州,正在研發無氚聚變反應堆。
TAE的首席執行官米希爾·賓德鮑爾認為,通過用非放射性的氫-硼替代稀缺的氫同位素氚,他的團隊可以規避燃料可用性問題,最快在本世紀30年代初就能夠實現商業能源生產。
“我們的機器比其他核聚變反應堆要小得多;一臺機器可以提供一個小城市的電力,大約是兩輛雙層巴士的大小?!辟e德鮑爾說,“這意味著它們更容易集中生產,釋放規模經濟效應?!?/p>
TAE對成本的前景也很樂觀——賓德鮑爾稱,一開始每千瓦時的成本差不多會處于中間位置,介于核裂變的高價和天然氣的低價之間。隨著生產復雜零部件的成本下降,能源成本也會下降。
然而,全球科學界并非所有人都如此自信。位于澳大利亞的格里菲斯大學(Griffith University)的綠色能源專家、名譽教授伊恩·洛在20世紀60年代還是一名物理學本科生,那時他第一次聽說核聚變能源的商業化,當時的預測是至少還需要50年。半個多世紀過去了,他擔心還需要50年。
“是的,已經有了令人激動的進展,但歸根結底,目前每一個有希望的核聚變反應堆都仍然處于研究階段,而我們現在就需要清潔能源解決方案?!甭逭f,“我們已經擁有了能夠生產高性價比零碳電力的可再生能源,擴大這類能源的規模才應該是當下的重點?!保ㄘ敻恢形木W)
譯者:Agatha
In the packed field of prospective net-zero solutions, nuclear fusion stands out in its scope and ambition. By successfully replicating the reaction that powers the sun, humanity could—in the words of Stephen Hawking—unlock an “inexhaustible supply of energy, without pollution or global warming.” Fusion development has progressed at a glacial pace for decades, however, and breakthroughs have been intermittent at best.
That could be about to change. With sweeping international collaboration and billions of dollars of public and private investment, scientists have recently made a series of meaningful advances in both the duration and power output possible from fusion reactions.
Whereas nuclear fission—the process that drives conventional nuclear power plants—involves the splitting of atoms, fusion takes place when a pair of light atomic nuclei combine to form a single heavier one. When this happens, an immense amount of energy is released: four times as much as fission, and nearly 4 million times greater than the burning of fossil fuels. From a safety standpoint, nuclear meltdown is practically impossible, and only a small volume of relatively short-lived radioactive waste is produced.
Fusion’s incredible promise is being pursued by a consortium of global physicists supported by China, Russia, the United States, and several European governments. With the funding taps open, significant progress has recently been made to overcome a litany of scientific challenges—not least the enormous temperatures required to trigger a fusion reaction. In the core of the sun, atoms combine at approximately 10 million degrees Celsius; on Earth, where gravitational forces are far, far smaller, at least 10 times as much heat is required.
As no known material can withstand contact with such scorching temperatures, scientists have devised different methods of confining super-hot plasma—a cloud of charged particles in which fusion occurs—to allow for continuous energy output. In California, the National Ignition Facility (NIF) is developing the use of high-powered lasers to compress fusion fuel into a tiny space, while researchers in other parts of the world favor confinement via strong magnetic fields.
Promising progress
The Joint European Torus (JET) is a pioneer of the latter. Defeating its own world record for fusion power, the U.K.-based JET laboratory recently managed to produce and maintain a comparatively high level of thermal energy over a five second period. A little less than 60 megajoules (MJ) of energy was generated—just enough to boil a few dozen kettles—but it marked a significant step forward in the quest for sustained fusion energy.
“A five-second pulse and 59 MJ of energy production might not sound like a lot, but it shows that we’re capable of achieving a sustained discharge that produces a high fusion yield,” says Joelle Mailloux, a nuclear physicist co-leading the JET research team. “We now have a blueprint for scaling up operations in the future, with the goal of maintaining output for much longer than a few seconds.”
Huge hurdles remain for global fusion research, however. JET’s record-breaking experiment used significantly more power than it produced—net energy gain from fusion is yet to be demonstrated anywhere—while the magnets used to contain the plasma warmed too quickly for extended operation.
Nonetheless, progress is being made. Earlier this year, Chinese scientists managed to sustain a 17-minute fusion reaction—albeit with a fuel source which isn’t viable for large-scale power production. Then there is the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER)—the world’s most ambitious fusion project which, all going well, will be operational by mid-decade.
Drawing on data from the soon-to-be decommissioned JET program, the far larger ITER facility in southern France is being constructed from materials that can withstand much higher temperatures, allowing, in theory, for fusion experiments to run long enough to produce more power than they consume. But that’s unlikely to happen before the late 2040s, experts say, and when it does, there’s no telling how quickly fusion energy will become cost-effective.
“A flurry of startups”
Another serious issue revolves around the two forms of hydrogen, deuterium and tritium, used to fuel ITER’s fusion reaction. Deuterium can be derived in abundance from seawater, but tritium is exceptionally rare (only 20 kilograms are thought to exist worldwide). To overcome this deficit, techniques for “breeding” tritium during fusion are being explored, Mailloux says, but again, that technology is likely decades from realization.
Enter private enterprise. A flurry of startups seeking alternate fusion solutions have emerged in recent years, propelled by billions of dollars of venture capital investment. Among those is Google- and Chevron-backed TAE Technologies, a California-based firm developing tritium-free fusion reactors.
By replacing the scarce tritium hydrogen isotope with nonradioactive hydrogen-boron, TAE chief executive Michl Binderbauer believes his team can sidestep problems around fuel availability and achieve commercial energy production as soon as the early 2030s.
“Our machines are far more compact than other fusion reactors; a small city can be powered by one roughly the size of a couple double-decker buses,” Binderbauer says. “This means they’ll be easier to centrally manufacture, unlocking economies of scale.”
When it comes to pricing, TAE is bullish—cost per kWh will start out mid-field, Binderbauer claims, somewhere between nuclear fission at the high end, and natural gas at the bottom. And as the cost of fabricating complex components comes down, so too will the price of energy.
Not all in the global science community are so confident, however. As a physics undergraduate in the 1960s, Emeritus Professor Ian Lowe—a green energy expert at Griffith University in Australia—first heard that commercial fusion power was at least 50 years away. More than a half century later, he’s worried that it still is.
“Yes, there have been exciting developments, but ultimately all would-be fusion reactors are still in the research stage, and we need clean energy solutions now,” Lowe says. “We already have renewables that can generate cost-efficient zero-carbon power; scaling those up needs to be our focus.”