【軍武次位面】作者：金色轟炸機

3月31日，《科技日報》官方報道，中國很可能在2030年左右，建成全球第一座核聚變電站。這一成就，不僅標(biāo)志著中國在該項技術(shù)領(lǐng)域取得了重大突破，也很可能成為徹底突破自然界對人類的能源限制的標(biāo)志性事件，開啟人類全新的能源紀(jì)元。

▲瑤湖科學(xué)島反應(yīng)堆，圖片來源：網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)《“星火”點燃核聚變發(fā)電新希望》文章中提到的細(xì)節(jié)可以得知，中國核工業(yè)二十三建設(shè)公司和聯(lián)創(chuàng)新超導(dǎo)公司合作，投資200億人民幣，在江西南昌瑤湖科學(xué)島建造了“星火”高溫超導(dǎo)核聚變-裂變混合堆。預(yù)計到2030年，“星火”可以實現(xiàn)100兆瓦的持續(xù)電力輸出，并接入國家電網(wǎng)。而這也只是整個“星火”項目的第一期工程，后續(xù)的大規(guī)模建設(shè)還將陸續(xù)鋪開。

縱觀人類的歷史，每一次社會生產(chǎn)力的巨大飛躍，都與對能源利用能力的突破離不開關(guān)系。雖然能源不是唯一的決定因素，但它絕對扮演了核心的角色。比如人類從原始采集、打獵能夠過渡到了農(nóng)耕文明，就和利用牲畜分不開關(guān)系。第一次工業(yè)革命中這種現(xiàn)象更為明顯，人類以蒸汽機為核心設(shè)備，用機械化迅速代替了手工勞動，煤炭、鋼鐵、蒸汽動力成為了當(dāng)時時代進步的主要象征物。到了第二次工業(yè)革命，蒸汽動力又被內(nèi)燃機、電力取代且一直持續(xù)至今。到了現(xiàn)代文明，電力成為了最核心的能源，成為了支撐數(shù)字化技術(shù)的關(guān)鍵。雖然傳統(tǒng)的化石能源仍在很多領(lǐng)域占據(jù)重要角色，但電能絕對是現(xiàn)代文明的核心能源。

▲核聚變電站想象圖，圖片來源：網(wǎng)絡(luò)

人類目前的掌握的幾種主要電力生產(chǎn)方式是火電、核裂變、核聚變、水電、風(fēng)電、太陽能。傳統(tǒng)火電站的能源轉(zhuǎn)化效率為33%~38%，如果使用超臨界電站，可達到45%。平均下來每1兆瓦電能成本150萬美元左右?；痣姷某杀竞艿?，但附帶會產(chǎn)生二氧化碳排放，嚴(yán)重的會造成溫室效應(yīng)和酸雨。目前全球40%左右的電力都來源于火電，中國更是占了60%。核裂變電站也是全球電能的主要來源，約占總量的10%。其大體原理是利用鈾-235的分裂釋放能量后加熱水，再驅(qū)動蒸汽輪機發(fā)電。轉(zhuǎn)化效率受制于卡諾循環(huán)，轉(zhuǎn)化效率通常為百分之33~37%左右。成本略高于火力發(fā)電，因為核燃料本身的成本很低，但是電站建設(shè)復(fù)雜，廢料處理昂貴。如果發(fā)生諸如福島、切爾諾貝利那樣的大型事故，造成的災(zāi)難也會非常嚴(yán)重。

水電，風(fēng)電、太陽能發(fā)電都是清潔能源，其中水電的效率最高。水電利用水流勢能驅(qū)動渦輪，能量轉(zhuǎn)化率85~95%。風(fēng)電為風(fēng)力驅(qū)動發(fā)電機葉片，受風(fēng)速本身和機械設(shè)計的影響，轉(zhuǎn)化效率只有百分之35到50%左右。太陽能的效率是最低的，在自然狀態(tài)下，其轉(zhuǎn)化率只有百分之15~22%左右。如果排序，全球總電能來源的榜單將是火電、水電、核電、風(fēng)電、太陽能。

▲核聚變電站核心裝置示意圖，圖片來源：網(wǎng)絡(luò)

由于其他幾類發(fā)電方式確實沒有技術(shù)上迅速突破的可能，因此大量的科學(xué)家都在研究怎么改變核能的效率。核專家設(shè)想，既然核裂變可以發(fā)電，那么核聚變能不能發(fā)電呢，答案當(dāng)然是可以。核聚變的原理就是兩個輕原子核在高溫高壓下融合成一個重原子核，這一過程同樣會釋放大量能量。從效率上來說，核聚變釋放的能量遠超于核裂變。如果以克為單位，那么每1克核燃料發(fā)生核聚變時可以釋放9000萬千瓦時，核裂變時僅為200萬千瓦，差了40倍還多。對比之下，每1克化石燃料燃燒時最多只可以釋放8千瓦時，連核聚變反應(yīng)釋放出的能量的零頭都不夠。

如果這些能量全部轉(zhuǎn)化為電能，那么發(fā)電量將大的驚人。這么好的發(fā)電方式，為什么之前不用呢？原因就在于核聚變需要非?？量痰臈l件，具體來說是高溫高壓和長時間的維持。這個高溫不是普通的高溫，它將是1億~1.5億攝氏度。只有這樣的高溫，才能夠使輕原子核克服庫侖斥力，進入等離子體狀態(tài)，才有可能完成融合。

▲核聚變實驗裝置，圖片來源：網(wǎng)絡(luò)

高壓是另一個前提條件，當(dāng)反應(yīng)堆內(nèi)充滿大量等離子體時，只有高壓才能增加它們的碰撞概率。這種高溫和高壓的環(huán)境不是維持個1秒就行了，視情況不同可能需要維持?jǐn)?shù)秒到數(shù)分鐘不等，才能確保足夠的能量被輸出。另外，高溫等離子體還需要被約束，這就需要超導(dǎo)磁體產(chǎn)生強磁場。把核聚變產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能時，還需要厚重的反應(yīng)堆壁讓高能中子撞擊，還需要真空環(huán)境。

由以上情況可以看得出，盡管核聚變具有很強的潛在發(fā)電能力，但建設(shè)和維護成本都很高。核聚變反應(yīng)堆使用的原料倒是非常易得，比如海水中就可以提取氘，氚可以由裂變堆生產(chǎn)，鋰則可以從礦石中提取。每升水中大約含約33毫克氘，以此估算，全球氘儲量估計為4.5萬億噸，夠人類用幾億年。經(jīng)過蒸餾、電解、化學(xué)交換法等就可以分離重水，再分解提取氘氣。核聚變電站的安全系數(shù)也非常高：相當(dāng)于“揉面團”，當(dāng)所有的原料都融合完畢時反應(yīng)自然會終止，不會發(fā)生難控制的情況。

▲核聚變反應(yīng)堆工作想象圖，圖片來源：網(wǎng)絡(luò)

毫不夸張的說，如果人類能夠建成數(shù)量足夠多的核聚變電站，那么能源的成本將突破一個新的水平，各國科學(xué)家都看到了它的潛力，所以紛紛投入海量的資金進行研發(fā)。中國在核聚變領(lǐng)域的研發(fā)投入很大，早先建成的多個實驗裝置，這為“星火”項目奠定了基礎(chǔ)。比如早期的“東方超環(huán)”、“環(huán)流三號”、“中國聚變工程實驗堆”等等。當(dāng)前，最接近商業(yè)運營可能的就是“星火”，全稱“星火高溫超導(dǎo)核聚變-裂變混合堆”。它并非為純聚變堆，而是裂變堆到聚變堆的一種中間過渡狀態(tài)，之所以如此，也是為了降低研發(fā)難度。

國際上對于核聚變發(fā)電站能否實用有一個關(guān)鍵評價標(biāo)準(zhǔn)，即Q值，代表輸出能量和輸入能量的比值，當(dāng)Q大于10就算是有使用價值了。中國“星火”在2030年左右Q值就能達到30以上，從而進入100兆瓦的運行階段。后期中國的技術(shù)發(fā)展路徑為從聚變-裂變混合堆向純聚變堆發(fā)展，并逐步提高發(fā)電量。

▲美國的聯(lián)邦聚變系統(tǒng)，圖片來源：網(wǎng)絡(luò)

除了中國之外，美國也建立了聯(lián)邦聚變系統(tǒng)（Commonwealth Fusion Systems），估計運行時間為2030年代初，發(fā)電能力400兆瓦。英國獨立建成了Spherical Tokamak for Energy Production，德國有Wendelstein 7-X，日本有JT-60SA，另外35國還在法國建立了一個多國聯(lián)合的“國際熱核聚變實驗堆”，但這些反應(yīng)堆距離真正的商業(yè)化和實用化還有比較大的距離。

從目前的情況看，中國采用“小步快跑”的技術(shù)發(fā)展路徑，明顯已經(jīng)在核聚變反應(yīng)堆領(lǐng)域取得了技術(shù)上的優(yōu)勢。中國憑借“星火”項目，很可能在2030年拿下全球第一座核聚變反應(yīng)堆的“桂冠”。未來5~10年，對于全球各國而言，將是發(fā)展核聚變電站的關(guān)鍵戰(zhàn)略窗口期。誰先突破并實現(xiàn)并發(fā)電聯(lián)網(wǎng)，誰就很可能引領(lǐng)全球能源革命，開啟人類全新的能源紀(jì)元。