云南
你能想象再過(guò)5年的時(shí)間，利用核聚變產(chǎn)生的能量就能點(diǎn)亮第一盞燈嗎。截止到上個(gè)月，合肥的緊湊型聚變能實(shí)驗(yàn)裝置BEST項(xiàng)目，相關(guān)建設(shè)已經(jīng)取得關(guān)鍵突破。
與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)其他省份的核聚變研究也在加緊推動(dòng)，可以說(shuō)我國(guó)進(jìn)行的核聚變研究是多路線同步驗(yàn)證模式。而且在接下來(lái)還要建設(shè)混合型的反應(yīng)堆，也就是核聚變與核裂變同時(shí)應(yīng)用的反應(yīng)堆。
隨著研究向縱深發(fā)展，未來(lái)能源格局將徹底改變，傳統(tǒng)石化能源將逐步退場(chǎng)，取而代之的，是以核能發(fā)電為主的清潔電力能源。那么核聚變研究的進(jìn)展未來(lái)會(huì)遵循怎樣的時(shí)間線？隨著電力資源的充沛，未來(lái)的儲(chǔ)電技術(shù)是不是也要推動(dòng)發(fā)展？
兩年后演示聚變能發(fā)電
截止到10月初，位于安徽合肥實(shí)驗(yàn)裝置的關(guān)鍵部件，已經(jīng)研制成功，并且順利完成了交付。這個(gè)關(guān)鍵部件叫做杜瓦底座，是裝置主機(jī)中第1個(gè)真空大部件，也是目前在核聚變研究領(lǐng)域最大的真空部件。
它的直徑達(dá)到了驚人的18米，高度在5米左右，總重量超過(guò)了400噸，也是這套裝置中最重的部件，因?yàn)槭堑鬃考?，其上承載的總重更是超過(guò)了6700噸。杜瓦底座安裝之后，整個(gè)項(xiàng)目的工程建設(shè)將會(huì)開(kāi)啟新階段。
這個(gè)巨大的關(guān)鍵部件是由合肥物質(zhì)院等離子所牽頭聯(lián)合研制的，要攻克一系列高精度成型問(wèn)題，接下來(lái)一系列的大部件安裝還會(huì)展開(kāi)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是由下至上，一步一步完成，比如磁體和真空室等重要的核心部件，就要安裝在杜瓦底座上。
等到一系列核心部件安裝成功之后，最終整個(gè)底座就會(huì)被徹底封閉起來(lái)，由此形成真空環(huán)境，接下來(lái)才能保證托卡馬克的正常運(yùn)行。所以每一步都不能出錯(cuò)，而且得嚴(yán)格按照步驟推進(jìn)施工。
根據(jù)目前的規(guī)劃，整套裝置要到兩年后，也就是2027年建設(shè)完成，到那個(gè)時(shí)候，這個(gè)巨大的實(shí)驗(yàn)裝置將會(huì)進(jìn)行聚變能發(fā)電演示，在全球范圍內(nèi)，這也是首次發(fā)電演示。
到2030年，由此實(shí)驗(yàn)裝置產(chǎn)生的電能，將有望點(diǎn)亮第一盞燈，也就是說(shuō)，整套裝置，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電演示，并且將發(fā)出的電應(yīng)用到實(shí)際環(huán)節(jié)。但是請(qǐng)注意，這并非正式的發(fā)電，整套裝置只是進(jìn)行發(fā)電演示。
雖然還沒(méi)有真正達(dá)到應(yīng)用階段，但是全國(guó)各地已經(jīng)出現(xiàn)的研究，都在爭(zhēng)分奪秒的進(jìn)行。
一個(gè)超級(jí)工廠正在做的事情
這是一項(xiàng)超級(jí)工程，未來(lái)一旦開(kāi)啟發(fā)電，在主機(jī)系統(tǒng)安裝的區(qū)域，高達(dá)1億℃等離子體的運(yùn)行就在其中。與此同時(shí)，區(qū)域的外面，區(qū)域溫度卻是零下269℃低溫。一冷一熱，要共同存在在一個(gè)罐體內(nèi)部。
要達(dá)到這樣的極限溫度，必須得研究出特殊的裝置，本質(zhì)上的工作原理就是利用強(qiáng)磁場(chǎng)形成一個(gè)環(huán)形的磁籠，從而就能夠?qū)⒏邷氐入x子體懸浮在真空室的中央，進(jìn)而使其與容器的外壁完全隔離。
所以設(shè)計(jì)和制造整套裝置就得需要一個(gè)超級(jí)工廠。在安徽合肥建設(shè)實(shí)驗(yàn)裝置的旁邊，正是這套裝置的建造工廠，聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施，它有一個(gè)很響亮的名字叫做夸父。
這座巨大的工廠，由14棟獨(dú)立的建筑構(gòu)成，每一棟建筑都是一項(xiàng)關(guān)鍵領(lǐng)域的超級(jí)實(shí)驗(yàn)室，目前這里正在進(jìn)行驗(yàn)證和設(shè)計(jì)制造著與可控聚變相關(guān)的19個(gè)子系統(tǒng)。
比如核心部件等離子體裝置，每平方米每秒鐘可極速噴射出10的24次方個(gè)粒子，一次就可以連續(xù)運(yùn)行24小時(shí)以上。通過(guò)這樣一套裝置，就能夠?qū)ο嚓P(guān)的內(nèi)壁材料進(jìn)行充分檢測(cè)。
超級(jí)工廠里制備的用于產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)的超導(dǎo)磁體，可以產(chǎn)生地球磁場(chǎng)10多萬(wàn)倍的磁場(chǎng)信號(hào)，這同樣是用于未來(lái)核心裝備中的關(guān)鍵部件。
為什么說(shuō)現(xiàn)在的研究很關(guān)鍵？因?yàn)槲覀冏咴谘芯康淖钋傲?，不管是所需的部件，還是相關(guān)的技術(shù)參數(shù)，都沒(méi)有任何體系可以參照。未來(lái)如果其他國(guó)家也進(jìn)行類似的研究，就是別人參照我們的研究來(lái)進(jìn)行。
除了安徽合肥正在緊鑼密鼓推動(dòng)建設(shè)的實(shí)驗(yàn)裝置外，全國(guó)其他地方也有類似的研究，不但有科學(xué)研究所牽頭的項(xiàng)目，也有龍頭企業(yè)和初創(chuàng)公司開(kāi)啟的項(xiàng)目。
河北省能源企業(yè)牽頭的實(shí)驗(yàn)
在河北省，當(dāng)?shù)赜芯o湊型聚變重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，這是由能源企業(yè)主導(dǎo)的可控核聚變實(shí)驗(yàn)。整套裝置的放電次數(shù)已經(jīng)達(dá)到13,032次，從去年1月到現(xiàn)在，幾乎從未間斷過(guò)。
這套實(shí)驗(yàn)裝置與其他研究項(xiàng)目不同的地方在于，其他研究團(tuán)隊(duì)通常使用氘和氚作為燃料，河北的這套實(shí)驗(yàn)裝置使用的燃料卻是氫和硼。
之所以更換材料，是因?yàn)檫@兩種元素很常見(jiàn)，成本低廉，在運(yùn)行過(guò)程中只會(huì)產(chǎn)生氦，而氦可以直接發(fā)電，不需要進(jìn)行蒸汽轉(zhuǎn)化，發(fā)電效率能夠達(dá)到90%以上。
但是這個(gè)研究方向也有明顯的缺點(diǎn)，必須要將等離子體加熱到10億℃甚至更高的溫度才行，這也就意味著溫度如果不達(dá)標(biāo)的話，就不會(huì)產(chǎn)生聚變反應(yīng)。研究人員目前采取的技術(shù)方案是階梯加熱。
具體來(lái)看使用變壓器的原理，在第1階段能夠加熱到幾百萬(wàn)℃，在第2個(gè)階段使用類似微波爐的原理，可以繼續(xù)加熱到幾千萬(wàn)℃，最終使溫度達(dá)到上億攝氏度以上。用更高的溫度不斷加到等離體里面，然后總體溫度就會(huì)持續(xù)上升。
為了保證實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定，整個(gè)研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在升級(jí)全新一代的托卡馬克裝置，這也意味著裝置整體的參數(shù)指標(biāo)會(huì)提升，溫度最終能夠達(dá)到合適的標(biāo)準(zhǔn)。
四川的另一種實(shí)驗(yàn)裝置
除了安徽與河北，四川也在這一領(lǐng)域進(jìn)行研究，位于成都產(chǎn)業(yè)園內(nèi)，一套全新的核聚變研發(fā)裝置樣機(jī)已經(jīng)搭建完成，這套裝置的專業(yè)名稱叫做直線型場(chǎng)反位型聚變裝置。
與其他實(shí)驗(yàn)裝置不同的是，四川成都的這套裝置，將等離子體在裝置兩端同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)豎起來(lái)的“甜甜圈”，此后裝置會(huì)持續(xù)加速到每秒200公里，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生劇烈的碰撞，然后釋放出巨大能量，最終產(chǎn)生聚變反應(yīng)。
不同于其他實(shí)驗(yàn)裝置是由科研機(jī)構(gòu)以及能源巨頭牽頭進(jìn)行，四川的這套實(shí)驗(yàn)裝置是由一個(gè)初創(chuàng)團(tuán)隊(duì)在推動(dòng)進(jìn)行研究。對(duì)初創(chuàng)型公司來(lái)說(shuō)，首先要考慮成本問(wèn)題。
雖然是民營(yíng)企業(yè)，但是參與者給出了自己明確的方案，采用了模塊化搭建的方式，盡可能的控制成本。
過(guò)去都是國(guó)家在主導(dǎo)研究，即便有企業(yè)參與，也都是擁有實(shí)力的龍頭企業(yè)，而現(xiàn)在大量的民營(yíng)企業(yè)也參與到研究中，這對(duì)于接下來(lái)探索可控核聚變的商業(yè)化之路提供了一個(gè)新的方向。
“星火1號(hào)”混合堆的落地
江西南昌，由多家企業(yè)牽頭參與的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也在進(jìn)行之中，這個(gè)項(xiàng)目基于高溫超導(dǎo)托卡馬克裝置，建設(shè)聚變-裂變混合反應(yīng)堆，其名稱叫做星火1號(hào)示范項(xiàng)目。
建成之后，總功率為300MW，將實(shí)現(xiàn)100MW級(jí)并網(wǎng)發(fā)電，根據(jù)目前的規(guī)劃，到2030年底將完成建設(shè)，2031年進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)電?？梢哉f(shuō)圍繞核聚變的研究，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)形成了一種競(jìng)速模式。
在上海市，2024年將可控核聚變列為了重點(diǎn)培育產(chǎn)業(yè)，并且還設(shè)立了未來(lái)產(chǎn)業(yè)基金，為各種前沿研究提供資金支持以及政策引導(dǎo)，上海是我國(guó)核電產(chǎn)業(yè)鏈的重要聚集地，產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)雄厚，在該領(lǐng)域的發(fā)展很有潛力。
除了上海，廣東、浙江兩省，也在政策中明確了將可控核聚變列入未來(lái)產(chǎn)業(yè)培育重點(diǎn)，無(wú)論是資金還是政策引導(dǎo)，都會(huì)重點(diǎn)向這一領(lǐng)域傾斜，這也恰恰說(shuō)明，圍繞核聚變的研究已經(jīng)進(jìn)入了白熱化階段。
能源格局將迎來(lái)巨變
除了我國(guó)的研究，世界上其他主要的國(guó)家在這方面的研究也在緊鑼密鼓地展開(kāi)，全球能源格局在未來(lái)勢(shì)必會(huì)引發(fā)巨變。一旦核聚變研究取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，傳統(tǒng)的石化燃料將會(huì)被持續(xù)邊緣化，電能將會(huì)成為未來(lái)的主要能源。
這樣一來(lái)就會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)問(wèn)題，那就是電能的儲(chǔ)存情況，隨時(shí)發(fā)電，隨時(shí)使用，這是傳統(tǒng)的電能應(yīng)用模式，如果核聚變?nèi)〉猛黄频脑挘a(chǎn)生的電力資源將是源源不斷的。
在這種情況下，電能儲(chǔ)存技術(shù)勢(shì)必也將跟著提升。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，未來(lái)的電能不光充足，關(guān)鍵是能源的利用可以更加的高效，比方說(shuō)不用再像現(xiàn)在這樣頻繁的充電，又或者說(shuō)，電動(dòng)汽車的行駛里程，直接超過(guò)了傳統(tǒng)的燃油車。
這些情況不是會(huì)不會(huì)發(fā)生的問(wèn)題，而是在技術(shù)領(lǐng)域必須要解決的問(wèn)題，尤其是未來(lái)，人類還想著探索更遠(yuǎn)的宇宙地帶，能源驅(qū)動(dòng)方式勢(shì)必就得發(fā)生根本性變化。
所以核聚變帶來(lái)的不僅僅是取之不盡，用之不竭的電力資源，還有對(duì)電能利用的存放技術(shù)也會(huì)革新。換言之，這將是一整套能源格局的徹底改變。
結(jié)語(yǔ)
可控核聚變還沒(méi)有取得實(shí)質(zhì)性突破，但是我們已經(jīng)處在了巨變的前夜，相關(guān)的研究進(jìn)展會(huì)越來(lái)越快。未來(lái)的突破，就建立在目前的競(jìng)速模式上。
可以預(yù)見(jiàn)的是，隨著各地研究持續(xù)推進(jìn)，商業(yè)化之路的探討也會(huì)隨之展開(kāi)，各地會(huì)繼續(xù)加大投入力度，無(wú)論是資金的投入，還是政策引導(dǎo)上的投入，只有這樣，我們才能夠以最快的速度迎來(lái)核聚變能量的巨大轉(zhuǎn)化。
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