专家论道:20年内就能实现商业核聚变电站?

发布: | 发布时间:2019-12-5,星期四 | 阅读:265

撰文 | 赵维杰(NSR新闻编辑)翻译 | 姜   巍(华中科技大学副教授)

小小聚变,巨大能量。内爆等离子体(蓝色部分)的剖视图。图源:HyperV Technologies Corp

可控核聚变被认为是清洁能源的最佳选择:氘(D)、氚(T)等燃料储量接近无限、碳排放为零、放射性核废料产物很少且易于处理,而且与裂变反应堆不同,即使发生问题,聚变电站也是安全的,不会演变为核事故。60多年来,人们一直在追求聚变能源,但迄今未能成功。问题在于聚变反应需要极高的温度和压力,要达到点火条件非常困难,要建造能够限制聚变反应的容器更加困难。 

目前,主流聚变方法包括以托卡马克为代表的磁约束聚变(MCF),以及近年来获得重大进展的惯性约束聚变(ICF)。国际聚变能源项目ITER正尝试建造世界上最大的托卡马克装置,并计划在2035年底前开始氘氚运行。在中国,以“人造太阳”为代表的MCF研究也备受关注。 

然而,除了MCF和ICF,研究者也提出过其他多种创新型聚变途径。与MCF相比,这些方法还不够成熟。但也有一些研究人员认为,这些创新方法有望在20年内,比ITER更早建造出规模更小,建造成本更低的实用聚变电站。在这一观点的鼓舞下,多家私营企业应运而生,希望能在聚变能源领域一展抱负。 

2019年5月,首届国际创新聚变途径国际会议在中国西安举行。《国家科学评论》借此机会召集业内一线代表专家及机构代表,就聚变能创新途径的未来机遇和目前挑战举行论坛。以下为讨论内容摘录。

聚变的挑战:技术、经济与政治

杨显俊:聚变能的概念是在65年前提出的,但至今尚未实现。在您看来,主要困难是什么?

Hsu:我认为有两个主要因素:一个是经济,一个是科技。现在,国际上大多数人都专注于科学和技术问题。但我认为我们需要更多地关注经济问题和市场因素,这样才能将聚变与现实世界更密切地联系起来。

我在美国能源部的高级研究计划局(ARPA-E)工作,为各种新能源研究项目提供支持。我处理过各类能源的项目申请,所以清楚地知道,聚变并不是解决能源危机的唯一可能途径,除此之外还有碳封存、长期储能、地热能、甚至将碳排出大气层等各种可能方案。

现在所有人都自然地认为聚变能是能源问题的“圣杯”,从长远来看,我们一定需要它。但是目前,我们还无法给出聚变能未来产业发展的任何细节。我们不知道如何将聚变能整合到当前的能源系统中,不知道聚变能能够提供哪些其他能源无法提供的东西。在美国,缺乏市场需求是聚变能面临的重要挑战。

我们应该首先澄清市场需求,然后再回到科学技术领域,寻找能满足这些需求的潜在方法。我们需要考虑更小型化、更简单、成本更低的更多方案。 

Gonzalez:聚变还没有找到自己的市场。但在过去15年中,世界范围内建立了许多聚变公司和聚变设施。我认为聚变正在从科学阶段进入到实现阶段,最终目标是建立一个商业上有竞争力的聚变电站。

我四年半前加入国际原子能机构(IAEA),那时IAEA中很少有人对聚变能感兴趣。但是现在已经完全不同了。投资者注意到这个领域,私营企业也开始行动。我们已经开始讨论未来聚变电站的成本和其他现实问题。

聚变研究从一开始就是国际化的。许多国家都有自己的裂变反应堆设计,但是没有一个国家有能力单独建造聚变反应堆。国际原子能机构希望成为一个平台,将人们聚在一起以实现共同目标。

杨显俊:我认为另一个重大挑战是如何从决策者那里获得更多支持。如果政策制定者可以更加重视聚变能源,特别是可能在20或30年内兴建聚变电站的创新方法,那么情况将会有所改变。 

Gonzalez:政治支持,包括预算、政策和人才,确实是相当重要的。近年来,决策者非常关注温室效应和气候变化。所以在提案的第一页,我们应该清楚地描述聚变将如何有助于减轻气候变化的影响。这将极大地帮助我们获得更多资金。 

川田重夫:没错。我们研究者知道聚变能是无排放的,也是可行的,但政治家和公众对此并不了解。我们应该尽量增加公众对聚变能的了解。另一方面,如果有一天我们能够建造一个聚变电站,而这个电站不是完全没有放射性的,我们也应该将这一点诚实地公布于众。 

Thio:除了这些因素,发展实用高效的聚变电站也还面临着一些根本性的技术挑战。其中之一就是中子问题。如果使用D和T作为燃料,就需要处理聚变反应产生的中子。处理中子的一种方法是使用厚液体壁作为第一壁。 

D+T聚变反应产生中子

Hsu:为了解决中子问题,目前的私人聚变公司或者使用厚液体壁,或者选择更先进的不会产生中子的燃料。先进燃料的前期物理理论不是很容易,但一旦解决,接下来的工程实现将更容易。这从经济角度来看是一个优点。

MIF:MCF和ICF的结合

郭后杨:磁惯性聚变(MIF)是一种创新的聚变途径,它结合了磁约束聚变(MCF)和惯性约束聚变(ICF)的许多理想特性。MIF不如托卡马克等传统方法成熟,但我认为这一概念对聚变能发展具有变革潜力,值得进一步探索。

Hsu:理论上讲,MIF需要较少的储存能量和加热功率即可达到聚变点火条件。这个想法已经过测试并取得了很好的结果。美国能源部桑迪亚国家实验室构建的Z装置就是一个很好的例子。MIF并不像托卡马克那样成熟。人们可能很难想象,某些还不太成熟的东西会在更短的时间内实现聚变。但是如果我们回顾科学成就的历史就会看到,我们经常会高估我们在短期内可以做到的事情,却低估我们能在长期内取得的成功,这是因为我们无法想象将会发生怎样的变革性突破。所以我认为,如果我们能够为突破的发生提供环境,那么目前还不太成熟的聚变概念完全可能超越成熟的方法,并最终发展出第一个聚变电站。 

川田重夫:我基本同意你的观点。但在达到最终目标之前,我们还必须解决不稳定和重复率的问题。 

Thio:没错。我在20世纪90年代中期注意到了这两个问题,并且提出了等离子喷射驱动磁惯性聚变(PJMIF,Plasma Jet Driven Magneto-Inertial Fusion)的概念。这可能是潜在的解决方案之一。

在固体套筒驱动的MIF中,套筒和传输线会被破坏,因此很难做到重复频率工作。我提出可以使用一系列高速密集等离子枪来传送压缩并达到点火能量。不过PJMIF还处于早期阶段,我们还没有获得所需要的等离子体枪。

MIF实际上是一类非常广泛的聚变途径,其参数空间很大。MIF的具体实施方案包括固体套筒、液体套筒、等离子套筒等。对于每种套筒,又都有几种实现方法。

MIF是磁聚变和惯性聚变的结合体,但实现这种结合并不容易。在尝试结合这两种传统方法时,物理上会变得非常困难和复杂。 

Hsu:你获得了两者的优势,也必须接受两者的挑战。 

Thio:就是这样! 

杨显俊:我认为MIF是创新聚变途径的领先范例。它为实现最终的实际目标提供了很多选择。现在是时候重新思考我们过去的聚变尝试了。这些新概念很有可能将加速我们对聚变能的追求。

美国洛斯阿拉莫斯国家实验室计划在实验机器上装36支等离子体喷枪进行PLX(Plasma Liner Experiment)实验。目前,等离子体喷枪的安装已接近完成。PLX实验将采用磁惯性聚变(MIF)的方法,以实现核聚变。图源:洛斯阿拉莫斯国家实验室

更多创新聚变途径

杨显俊:除了MIF,还有哪些其他新途径?

赵永涛:我们正在研究重离子驱动惯性约束聚变,这也是很具竞争力的聚变途径候选者。重离子聚变的能量转换效率非常高,远高于激光聚变和其他方法。

而且,我们可以将重离子聚变与MIF、Z箍缩等其他方法结合起来。例如,我们可以使用重离子来产生高密度、高温度等离子体,然后使用其他方法点火,反之亦然。

此外,我们还应该关注各种极端情况下的新物理和新现象,这其中包含非线性效应。最近,我们进行了一些激光加速离子束相关实验。束密度极高的情况下,材料中的能量沉积效率提高了不止一个数量级,远高于现有的理论预测。因此我们需要重新评估阿尔法粒子加热,离子驱动快点火和重离子驱动惯性约束聚变的整个方案。

我们可以结合不同的方法,并且关注新鲜事物。 

Thio:气体动态阱(gas-dynamic traps)也取得了一些进展。过去五年间,相关实验获得了1 keV电子温度。这个温度被认为是聚变研究的重要里程碑,20世纪60年代俄罗斯T3托卡马克达到1 keV温度时,整个世界都放下其他一切方法,专注于托卡马克研究。 

Gonzalez:一些俄罗斯研究人员正在研究磁镜 (magnetic mirrors)。其工作也很有价值。 

郭后杨:我们的目标是建立一个经济型聚变电站。从这个最终目标出发,我们可以确定一些非常有前途的“替代”配置来实现所需的功能。

例如,相当多的私营企业正在追求场反位型(FRC)。FRC的几何结构非常简单,它可能解决一些关键问题,如等离子体破裂和热负荷问题等。还有其他有趣的装置如磁镜(mirrors)和球马克。这些替代装置表现出适用于经济型聚变反应堆的非常理想的工程特性,但它们的物理学并不成熟。而其物理基础不成熟的原因在于,我们没有投入足够的资金和时间来进行相关研究。 

以MCF为主体的聚变领域现状

Thio:除磁镜和重离子聚变外,FRC可能是所有创新聚变途径中获得资金最多、相对最成熟的。即便如此,FRC累计获得的政府资助还不到聚变研究总预算的1%。美国政府在磁约束聚变(MCF)中花费了超过200亿美元,其中投入在FRC中的不足一亿美元。除磁镜和重离子聚变外,其他创新聚变途径所获得资金都比这更少。

很多人会批评创新聚变途径说:你们的结果在哪里?数据在哪里?托卡马克技术已经积累了大量实验数据,但创新方法没有数据,原因就在于没有预算。而且,创新聚变途径获得的有限预算还要分散在许多不同的创新概念上,所以每一种单独的新方法能够获得的就更少了。 

Hsu:美国国家科学院在最近发布的报告中提出了两项重要建议。一项是,ITER仍然是科学风险最低的聚变路径,美国应该继续追求它。而第二项说,我们应该以最低的资本成本来寻求紧凑型聚变试验装置。我认为这里提到的最低资本成本既包括研发成本,也包括最终的电站建设成本。这说明美国也开始在其既有战略之外,为创新方法提供机会。 

赵永涛:在中国,私人聚变公司的发展不如美国,但是新奥科技发展有限公司等企业也在积极推进相关研究。我所在的大学,西安交通大学,刚刚建立了西部科技创新港。我们正计划在创新港中建设一个创新研究中心。我们将与 Francis Thio 教授和 Dieter Hoffmann教授合作,进行一些新的实用研究。我们的计划之一是在MeV能区建造重离子加速器,结合强激光和磁化等离子体设备,研究各种聚变方法的基本物理原理。 

川田重夫:日本的主要聚变研究方向也是MCF。我们有大型螺旋装置(LHD),这是世界上第二大超导仿星器。许多日本大学都致力于MCF研究,但也有研究者关注其他方法。大阪大学研究人员致力于激光聚变,东京工业大学(TIT)、高能加速器研究组织(KEK)以及包括我所在的宇都宫大学在内的几所高校都侧重重离子聚变的实验和理论研究。但总的来说,日本对聚变能源的投入并不像美国和其他一些国家那么多。

以托卡马克为代表的磁约束聚变是当前核聚变的主流途径。图为ITER托卡马克发电站的图纸。By Oak Ridge National Laboratory – ITER Tokamak and Plant Systems (2016), CC BY 2.0

主流方法与创新方法之间的鸿沟

郭后杨:MCF研究有两条主要路径:(1)以托卡马克为代表的先进磁约束方法;(2)简单磁拓扑方法,如FRC。对于主流的托卡马克方法,我们会首先建造一个类似ITER的大型聚变反应堆,然后尝试降低成本并使其紧凑化、小型化。而对于其他创新方法,我们需要首先在其物理基础研究中取得重大突破,然后直接建设紧凑型装置。第一条路线的挑战在于如何通过工程设计实现大型设施的紧凑化,而第二条路线的挑战在于前期物理问题。我认为我们应该同时探索这两条路线。 

Gonzalez:国际原子能机构愿意支持每一种方法并促进信息交流。我们应该鼓励所有方法,无论是传统方法还是创新方法。这不是一场传统与创新之间的战争,而应该是向着同一个最终目标的共同努力。

我必须指出,传统研究人员和创新研究人员之间缺乏沟通。许多私营企业都雄心勃勃,但却不愿意与主流研究人员分享他们的想法和进展。他们很少在会议或论坛上进行演讲。

他们也许是害怕受到来自主流研究人员的不合理批评。但是要让其他人了解你在做什么,交流是唯一的方法。良好的沟通可以帮助他们完善自己的想法,也可以为他们的项目吸引更多投资。

郭后杨:这里涉及知识产权问题。私营公司不愿意分享他们的新想法,部分原因在于他们想要保护自己的知识产权。所以现在的结果就是单向沟通:他们了解主流研究人员的工作,但不分享他们自己的信息。如何打开沟通之门是非常具有挑战性的问题,我们需要找到一种方法。 

从非聚变技术中吸收养料

郭后杨:近年来,许多其他技术领域取得了一些新进展,这些进展会大大推进聚变能源的开发进程。例如,理论预测建模和机器学习方法已经用于指导聚变实验和数据分析,高温超导体、先进制造等其他技术也是聚变发展的关键因素。这些来自其它领域的发展可能为解决聚变能源面临的物理学挑战提供方案。

Gonzalez:是的,许多新技术都可以用于聚变。而且我认为,由于创新聚变途径的灵活性更高,所以这些新途径更容易兼容利用这些新技术。机器学习、3D打印、新材料等都可以轻松地在创新途径中得到应用。

而且,我们也不应该忽视裂变。我们在裂变中获得的许多知识、技术和经验都可以为聚变研究提供启示。

聚变研究人员需要扩展视野,在其他研究领域中寻找解决我们问题的可能方法。实际上,作为聚变设施主要部分的超导体正是从其他研究领域中引入的。 

Hus:我完全同意。我们不能 “每造一辆车就重新发明一次轮子”。而且,我也想谈谈裂变的教训。我们提出过许多先进的裂变方法,它们在理论上是完全可行的,但却从来没有被建成实际的核电站。其中的原因何在?聚变研究必须认真考虑这些问题,避免陷入同样的境地。 

如何为聚变发展设计路线图?

Gonzalez:国际原子能机构正在编写一份“国际技术路线图”。这份报告将指出要建设未来聚变电站,我们还需要弥补哪些差距。我们将邀请五六位专家撰写初稿,在最终发布之前,还会请更多专家审阅初稿并提供反馈意见。审阅专家将包括主流聚变途径、创新聚变途径以及非聚变领域的专家。

Thio:在过去20年里,差不多每三到四年就会有一次由美国政府主导的类似调研,但是这些报告都很快被束之高阁,没有起到什么作用。这类研究的挑战在于,如果我们研究领域中90%的人只研究一种特定方法,那么不可避免地,这份报告会成为只针对这种特定方法的报告,而无法对其他途径的研究提供指导。国际原子能机构的这次报告如何避免这些问题? 

Gonzalez:首先,我们的报告不是只针对某种特定方法进行的分析。我们将倾听来自不同国家和不同方法的专家的意见。其次,这份报告不是一份告诉研究人员应该做什么的路线图,而是一份为政策制定者撰写的报告。它将帮助研究人员从政府或投资者那里获得资金。当一家私营企业提出自己的计划时,它可以向政府出示我们的报告说:这不是我们凭空想出来的方法,这是已经被写入国际原子能机构报告的有希望的方法。我们希望这份报告可以通过这样的方式来帮助聚变领域的发展。 

郭后杨:如果我们想为聚变能源制定真正的路线图,我认为一定要设定可行的阶段性目标。如果没有期限,开发过程很可能会变得非常漫长,我们将很难在任何合理的时间内实现聚变能。 

Hus:实际上,许多私人聚变公司都希望政府制定计划来设定阶段目标。他们希望能有一项类似于NASA商业轨道运输服务(COTS)计划的报销计划。在COTS计划中,美国政府最终支付了8亿美元,开发出一款低地球轨道运载火箭。

在这种报销计划中,政府设定几个阶段性目标。每当私人公司达到一个阶段性目标,就会得到一定数额的报销。对于政府来说,这是一个低风险的计划,如果公司没能达到设定的目标,政府将不支付任何费用。对于公司而言,他们将更有效地进行研究以节省资金。核创新联盟(Nuclear Innovation Alliance)刚刚发布了一份与此相关的报告,题为《促进核能创新:寻找核能的 SpaceX》。

如果科学界和私营企业的人才可以聚集在一起,我认为我们将有机会在20年内获得商业上可行的聚变能源。 

杨显俊:非常感谢各位分享自己的意见!我个人认为,MIF等创新方法非常有前途,我希望公众和政策制定者能够更多地了解聚变,并给予我们更多的支持。

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本文英文原文于2019年7月22日在线发表于《国家科学评论》(National Science ReviewNSR ),原标题为“Will there be a SpaceX for fusion energy? A forum on innovative fusion approaches”。《知识分子》获NSR授权刊发该文中文版。

文章链接:https://doi.org/10.1093/nsr/nwz098


来源:知识分子


 

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