美國能源部部長表示,核聚變的商業(yè)化,或許可能會在未來的幾個十年內實現,但大概率不是之前說的50-60年。
人類距離“人造太陽”的目標,似乎又近了一步。
【資料圖】
當地時間12月13日,美國能源部官員宣布,由美國政府資助的加州勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL),首次成功在核聚變反應中實現“凈能量增益”。
凈功率增益,即產生的聚變功率與用于加熱等離子體的功率之比率。
據悉,實驗向目標輸入了2.05兆焦耳的能量,產生了3.15兆焦耳的聚變能量輸出,產生的能量比投入的能量多50%以上。
美國能源部長詹妮弗·格蘭霍姆在一份聲明中稱,這一突破是一項“里程碑式的成就”。
01 “凈能量增益”意味著什么?
為什么這是一項“里程碑式的成就”呢?
因為核聚變點火作為實現可控核聚變的關鍵步驟,是實現可控核聚變的前提和基礎。
眾所周知,核聚變是使輕原子核融合成更重的原子核,并釋放出大量能量的過程。
目前我們能了解到的核聚變就是兩種:一種是恒星,比如太陽上產生的聚變。恒星完成核聚變依靠的是強大的引力。強大的引力不僅帶來了高溫(太陽中心溫度高達1500萬攝氏度),高壓(太陽內部氣壓達3000多億倍大氣壓),還提供了完美的封閉空間。在這樣的高溫高壓的環(huán)境下,太陽猶如一個巨大的可控核聚變反應堆,無休止的向外部輸出能量。
另外一種核聚變方式則是氫彈。它需要通過核裂變(原子彈爆炸)的方式在瞬間創(chuàng)造出高溫、高壓且短時間封閉的環(huán)境來引發(fā)核聚變。
不過,氫彈屬于不可控核聚變,不能用來發(fā)電,而受控核聚變則是將核聚變反應控制在安全范圍,也即人們所說的“人造太陽”。
但是,在人類研究人造太陽的過程中存在一個問題,那就是雖然核聚變釋放的能量驚人,但整個可控核聚變過程也消耗了大量的能量,避免這種消耗的訣竅是讓反應過程自我維持,使得輸出的能量比輸入的能量多,并且讓這個過程持續(xù)而不是短暫地進行一次。只有這樣,核聚變才能成為可用的能源。
實際上,人類在上世紀50年代就已經知道如何在熱核武器中產生聚變??茖W家們也已經能夠在實驗室中進行核聚變,但只是斷斷續(xù)續(xù)地進行,而且能源消耗巨大。
1997年,美國國家科學院就將點火(reach ignition)作為美國點火裝置(NIF)聚變的目標。
勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的美國國家點火裝置(NIF)
幾十年來,科學家們一直在努力做到這一點。在這一過程中主要通過兩種途徑:一種是慣性約束聚變,主攻方向是激光聚變;另一種則是磁約束聚變,主攻方向是托卡馬克裝置,比較知名的包括美國的DIII-D、日本的JT-60SA、英國的JET、中國的東方超環(huán)(EAST)和環(huán)流器2M(HL-2M)、韓國的KSTAR,以及正在建設的ITER和SPARC等。
LLNL實驗就是使用的第一種途徑,即通過用世界上最大的激光撞擊一個微小的等離子體顆粒來實現的。實驗裝置由近200臺激光器組成,有三個足球場那么大,用高能量轟擊一個小點,以啟動核聚變反應。
雖然業(yè)內都在為LLNL的這一實驗結果歡呼,但是加州大學洛杉磯分校的等離子體物理學家Troy Carter也透過媒體表示,NIF取得了巨大的突破,但還遠遠不能滿足需要。
對此,他提出了自己的看法:首先,美國國家科學院提出的關鍵指標是聚變能量增益因子,也稱為“Q”。增益為1 表示反應達到收支平衡。NIF 的最新公告顯示增益大約為 1.5,這意味著反應已變?yōu)檎芰?。但這僅是將能量輸入狹義地定義為擊中燃料目標的激光能量時,如果從充電和發(fā)射激光所需的總能量(大約 300 兆焦耳)來衡量,這個結果仍然不夠。
其次, NIF每天只能發(fā)射幾次激光,而要運行一個真正的聚變反應堆,則需要每秒發(fā)射大約10次。
02 行業(yè)投資已暴漲139%
可控核聚變之所以備受關注,正是因為它具有儲量幾乎無限、清潔零碳等諸多優(yōu)點,也被視為解決一切能源問題的“終極方案”。幾十年來,對核聚變的探索主要是通過政府資助的大型項目來進行,比如美國國家點火裝置 (NIF) 和在法國建設的國際 ITER 合作項目。
雖然早期也曾出現過零星的初創(chuàng)公司,但都未受到重視。根據英國原子能管理局之前的一份報告顯示,整個 90 年代只有兩家私人核聚變公司。
不過,近年來聚變裝置緊湊化、小型化的發(fā)展趨勢,為商業(yè)資本的進入提供了可能。像比爾·蓋茨、杰夫·貝索斯、彼得·泰爾在內的億萬富翁都已經開始掏腰包支持核聚變公司。
今年7月,谷歌和雪佛龍公司宣布共同領投了核聚變初創(chuàng)公司TAE Technologies 2.5億美元的新一輪融資,這也使得該公司的累計融資額達到了12億美元。
融資的當然不止這一家,從不斷披露的融資消息不難看出,資本正在源源不斷流入核聚變領域:德國的Marvel Fusion在2月份獲得了由Earlybird Venture Capital領投的 3500 萬歐元融資;緊接著,4月份日本的EX-Fusion 完成了價值 1.3 億日元的初始階段融資;美國的Zap Energy在6月也宣布完成了由 Lowercarbon Capital 領投的1.6億美元的C 輪融資。
根據美國核聚變工業(yè)協(xié)會在7月份發(fā)布的行業(yè)研究報告顯示,在過去的12個月里,核聚變領域的投資暴漲了139%,私人投資核聚變的資金達到了28.3億美元。
在國內,核聚變領域也在今年迎來了兩起大手筆融資。
今年2月份,能量奇點獲得將近4億人民幣的天使輪融資,投資方是米哈游、蔚來資本、紅杉種子、藍馳創(chuàng)投。
6月份,星環(huán)聚能獲得數億人民幣的天使輪融資,投資方包括順為資本、昆侖資本、中科創(chuàng)星、遠鏡創(chuàng)投、和玉資本、紅杉種子、險峰長青、九合創(chuàng)投、聯(lián)想之星、英諾天使基金、元禾原點、華方資本等。
有了資本的加持,初創(chuàng)公司們也紛紛給自己定下了發(fā)展目標:Helion Energy預計其第七代“北極星”原型機最早將于2024年成為世界上第一個展示凈發(fā)電量的聚變發(fā)電機;TAE Technologies表示到 2030 年將具有商業(yè)可行性;CFS公司預計2025年實現商業(yè)核聚變發(fā)電。
險峰長青曾發(fā)文稱,可控核聚變在科學上已經完成了最艱難的從0到1突破,我們其實已經站在了通往終極能源變革的前夜。
不過,即便如此,依據最樂觀的估計,要想實現核聚變發(fā)電的初步商業(yè)化也需要10年以上的時間。一個更為務實且不失樂觀的看法就是,可控核聚變還有很遠的路要走,但這也是一條必經之路。
關鍵詞: 初創(chuàng)公司 等離子體 科學家們
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