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美公司在安全核聚变能源上获里程碑进步

一家位于美国加利福尼亚州的私人公司表示,其开发的一种新技术在核聚变能源技术方面具有里程碑意义。

美公司在安全核聚变能源上获里程碑进步原子核聚变示意图。这家拥有20年聚变能源开发历史的TAE Technologies公司表示,他们公司聚变反应堆已经具备了在超过5,000万度的温度下产生稳定等离子体的能力(这个温度超过太阳核心温度3倍以上),该公司表示这项技术有望在十年后以商业规模运行,实现核聚变发电。核聚变可提供清洁、环保且本质安全的能源,并且燃料供应充足,与当前核发电厂采用的核裂变能源不同。TAE首席执行官米歇尔·本德鲍尔(Michl Binderbauer)说:这是一个令人难以置信的有意义的里程碑,论证了1990年他和已去世的公司共同创始人诺曼·罗斯托克(Norman Rostoker)合著的一篇论文的观点。该论文指出,由高能粒子控制的某些等离子体应随着温度的升高而变得越来越受限和稳定。“我们现在已经能够以压倒性的证据证明这种等离子体的行为。这有力的验证了过去三十年来我们的工作成果,也是TAE的一个非常关键的里程碑。”核聚变与核裂变区别目前的核发电站都是核裂变发电,与核聚变发电虽然只有一字之差,区别却很大。核裂变,是指由较重的(原子序数较大的)原子,主要是指铀或钚,裂变成较轻原子的一种核反应形式。原子弹利用了裂变产生的热量。核聚变,是指将两个较轻的核结合形成一个较重的核和一个极轻的核(或粒子)的核反应形式。氢弹和太阳发出的能量都利用了核聚变的能量。美公司在安全核聚变能源上获里程碑进步因为聚变发电有许多潜在好处,长期以来一直被视为理想的能量来源。核聚变不会产生长寿命和高放射性的核废料。而且聚变工厂发生事故的风险非常有限,如果聚变反应器密闭性丧失,聚变反应就会停止,不太可能发生爆炸或大规模能量释放。核聚变发电原料大部分也储藏丰富,如氘-氚核聚变反应,其原料氘可直接取自海水,来源几乎取之不尽。但地球没有氚资源,只能通过中子与锂-6(6Li)反应生产,这就涉及了锂资源的问题,以及大量的中子增殖材料,如铍、铅等,这些资源是有限的。TAE公司采用氢和硼作为聚变原料,其储备十分丰富,其中硼矿储量在全世界约有11亿吨。氢储量也非常丰富,甚至可直接从水中提炼。为什么不用核聚变发电?核聚变发电有这么多优点,而且科学家很早就知道核聚变原理(如以聚变反应为能量来源的氢弹试爆仅比以裂变为能量来源的原子弹试爆晚7年),为什么不用核聚变来发电呢?原因是促使核聚变发生的条件很难再创造。简单地说,核聚变厂为了能够输出商业用电,需要将等离子体限制在“足够热”的温度下,使等离子可以剧烈运动,从而增加相互碰撞概率以发生聚变;同时还需限制“足够长”的时间,以保证持续发生聚变反应;且在这个过程中,聚变产生的能量要大于输入的能量,才有商业价值。(注:等离子体是指气体加热到很高温度从而使电子脱离原子,但带正电荷的原子核与带等量负电荷的电子相互共存,宏观呈现电中性,为等离子体。)以太阳为例,太阳通过核聚变产生能量。太阳质量形成强大引力(相当于3000亿个大气压)将等离子体紧紧吸引到一起,在这样的条件下,太阳的核心温度虽然只有1500万摄氏度,也能使核聚变持续产生,从而源源不断地释放能量。而在地球上,不可能形成太阳这么大的压力,科学家就只能在温度上做文章了。如果温度太低,不能形成自我维持聚变,就需要不断输入能量以维持聚变反应,使得到的热量还不如输入加热所需的能量,就没有了商业价值。美公司在安全核聚变能源上获里程碑进步TAE公司最新成就的意义1. 足够长的时间:TAE在2015年表示,他们当时的反应器(上一代反应器)证明其公司的方法可以无限期维持等离子体-这意味着聚变反应一旦开始就可以永远持续下去。2. 反应堆的温度维持:TAE当前的紧凑型反应器“Norman”在18个月的测试中,表现出可在5000万摄氏度稳定运行,并且运行周期重复过数百次。即达到了“足够热”的温度。该“Norman”反应器进行过25,000多个完全集成的聚变反应堆堆芯实验,并使用现有的最先进的计算流程对实验进行优化,包括借助美国能源部(DOE)百亿级别的计算能力和Google等公司的学习智能机器人。TAE公司的核聚变采用了一种称为场反转配置(FRC,field-reversed configuration)的新技术。该技术不依靠氘-氚(DT)聚变,而是采用氢-硼聚变。尽管这种聚变反应要求温度至少高一个数量级,但它的优点是不会产生像DT聚变那样复杂的高能中子。本德鲍尔表示:“Norman”里程碑式的成就使他们相信,他们可以将其应用于现实经济活动中。“随着我们从科学验证阶段过渡到包含聚变和电力管理技术的商业模式解决方案(阶段),TAE将成为整个能源网现代化的重要贡献者。”因为这项成就,TAE公司已融资2.8亿美元,使其融资总金额达到8.8亿美元,这是全世界融资最多的私人核聚变项目之一。他们将利用部分融资资金开发名为“Copernicus”(哥白尼)的设施,该设施运行温度将超过1亿摄氏度,比目前的温度再高出1倍,以最终将这项技术应用于商业。该成果已经通过公司独立的科学小组的审查和认可,科学小组成员包括多个诺贝尔奖获得者和麦克斯韦奖(Maxwell Prize)获得者及企业董事会人员,含前首席执行官杰弗里·伊梅尔特(Jeffrey Immelt)、摩根士丹利(Morgan Stanley)前首席执行官约翰·马克(John Mack)、卡耐基科学研究所(Carnegie Institution for Science)名誉主席、美国核监管委员会前主席理查德·梅泽夫(Richard Meserve)、美国前能源部长欧内斯特·莫尼兹(Ernest Moniz)等。根据Tech Crunch的报导,TAE公司还未通过聚变器发电,在可预见的将来该公司也不会。本德鲍尔表示:“能量超级小,它是无形的,就像大海捞针。”“就其能量可识别性而言,我们可以将其用于诊断。”他们公司下一个目标是将这项技术应用在为聚变反应产生能量创造必要条件上。其它核聚变目前法国正在建造另一个名为国际热核实验堆(ITER)的核聚变项目,该项目是一个耗资250亿美元的巨型反应堆,由35个国家的7个集团共同投资。ITER目标是在2035年之前能够实现持续等离子燃烧。一旦达成该目标,该项目预计还需十年时间,以推出试验性质的完整发电装置。

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