按目前世界能量的消耗率估计, 地球上蕴藏的核聚变能可用100亿年以上. 从原理上讲, 聚变能可以成为人类取之不尽, 用之不竭的无碳能源. 因此, 核聚变一直是人们长久以来的梦想.
而在麻省理工学院, 一个获投3千万美元的新研究项目正在酝酿, 并致力于让核聚变技术实现普及.
该项目旨在建立世界首座真正意义上的聚变电站, 这个电站200兆瓦的功率将足以与绝大多数现代商业电站相媲美. 据介绍, 聚变电站的建设迅速且低风险, 能在15年内完成.
图丨核聚变被视作终极能源
和往常不一样的是, MIT 选择和一家名为 ' Commonwealth Fusion Systems (CFS)' 的创业公司合作搭建这样一座电站. 近日, 这家创业公司从意大利能源公司埃尼(Eni)获得5000万美元的投资. CFS 和MIT 的共同目标都是快速实现聚变能源的商业化并建立新的行业.
麻省理工学院校长拉斐尔·赖夫(L. Rafael Reif)对这次合作充满了期待.
图丨MIT 校长 L. Rafael Reif
'这是历史性的一刻: 超导磁铁技术的进步让聚变能触手可及, 为这种安全, 无碳能源提供了新的可能性. 人类面临的气候风险正在上升, 我很高兴MIT能与工业盟友合作, 为了人类的未来向能源变革全速前进' , 他说.
'聚变能的影响力与商业潜能是毋庸置疑的, 但问题是: 如何实现聚变能?' CFS CEO罗伯特·穆姆加尔德(Robert Mumgaard)说, '方法是通过结合现有科学技术, 寻找合适的伙伴, 然后一步一步解决问题. '
图丨从左到右: MIT等离子体科学与聚变中心副主任马丁·格林沃尔德, CFS首席技术官丹·布鲁纳玛, 核科学与工程学院助理教授扎克·哈特维希, CFS首席科学官布兰登·索尔博姆, CFS CEO鲍勃·穆姆加尔德, 以及PSFC主任丹尼斯·怀特
建立世界上最强大的超导电磁铁
正如我们所知, 核聚变就是多个轻原子核(例如氘和氚)结合成较重原子核(例如氦)时放出巨大能量的过程, 太阳所产生的巨大能量就是源于聚变反应. 如果一旦可以实现可控的核聚变, 那么困扰人类已久的能源问题就将得到彻底的解决.
但是, 聚变反应产生净能量需要几亿摄氏度的极端条件, 任何固体材料都无法承受这种高温. 而麻省理工学院与 CFS 的目标就是要建一个功率为100兆瓦的紧凑型聚变装置.
图丨CFS团队
其中的关键一步就是要建立世界上最强大的超导电磁铁, 超导电磁铁也是紧凑型聚变装置托卡马克的重要组件. 用于制造超导磁铁的超导材料是一种涂覆有钇-钡-氧化铜(YBCO)复合材料的钢带.
YBCO材料的最大优势是, 它能极大降低建造净能量聚变装置所需要的成本, 时间和组织复杂性, 从而为人们提供接触聚变能的新方法.
美国工程学教授兼 MIT 核科学与工程系主任怀特介绍说, 由于磁铁是新型聚变堆的关键技术, 而且磁铁的发展有很大的不确定性, 所以项目最初的两三年是针对电磁铁的研究.
'我们认为, 将磁铁研究放在首位能让我们在三年内得到一个可靠的答案, 还能给予我们极大的信心继续向前, 让我们对最为关键的问题做出解答: 能否利用磁场约束等离子体的方案获得净能量?' 怀特介绍说.
这种超导磁铁的效果也是非常值得期待的, 其产生的磁场将是现存聚变设备磁场的4倍, 这使得同等尺寸的托克马克装置的功率增加10倍以上.
麻省理工学院与 CFS 预期在三年内完成超导电磁铁的研究, 届时, 他们会用这些超导磁铁设计并建设一个紧凑型聚变实验装置 SPARC.
图丨SPARC托卡马克实验装置示意图. SPARC利用高温超导体建立强磁场, 有望成为第一个有净能量输出的可控等离子体聚变堆
挑战聚变的技术里程碑
一旦磁铁技术完成, 团队的下一步的任务就是在现有托卡马克实验装置的基础上进行简单的演化.
托卡马克装置已经经过了数十年的研究与完善, SPARC 是托卡马克装置的一种演变. 其中, MIT 对此的研究工作始于1970年代, 由布鲁诺·科比(Bruno Coppi)和罗恩·帕克(Ron Parker)两位教授主导. 他们研究的强磁场聚变实验装置一直在MIT沿用至今, 并开创了很多聚变科学方面的记录.
目前, 紧凑型聚变实验装置 SPARC 的设计热功率是 100 兆瓦. 虽然热功率不能全部转化为电功率, 但它足够以10秒的脉冲为一座小城市供电. 输出能量是加热所需等离子体能量的两倍, 也就实现了聚变的技术里程碑: 净能量输出.
要知道, 实现核聚变反应并不难, 但目前聚变堆的最大问题是输入能量大于输出能量, 也就是说为了实现聚变而耗费的能量要超过聚变反应所释放的能量. 这是一种得不偿失的过程.
基于 SPARC, 科学家将能建设两倍大的新型核电站, 它能在商业上实现净能量输出, 并成为商业聚变堆设计与建设的最终示范.
该项目的另一层意义在于, 它将成为大型国际合作项目 ITER 的补充研究.
图丨国际热核聚变实验反应堆(ITER)项目
ITER 是世界上最大的聚变实验装置, 目前正在法国南部建造. 如果顺利, ITER预计会在2035年输出聚变能. 据哈特维希介绍, SPARC的输出功率是ITER的1/5, 但它的尺寸却是ITER的1/65.
能源市场需要新的合作模式
数十年来, 在政府对聚变研究的支持下, 科学家积累了很多专业经验. 其中包括麻省理工学院在 1971 到 2016 年间的研究工作, 即 Alcator C-Mod 等实验研究.
也正是在这些工作的基础上, 麻省理工学院选择了与一家资金充足的创业公司合作开展研究. 怀特, 格林沃尔德与哈特维希表示, 虽然聚变对改善环境做出巨大贡献还需要时间, 但这种合作研究能大大缩短聚变技术进入市场的时间.
在过去, 能源创业公司往往需要大量研究经费才能将新的能源技术推向市场. 而传统形式的早期投资通常与能源投资者所熟知的长周期与密集资本相违背.
'由于产生聚变反应所需要的特殊条件, 研究人员必须以一定的规模展开研究. 正因如此, 这种学术-工业合作关系是确保聚变技术快速前进的必要条件. 这可不像三个工程师在车库里建个App那么简单, ' 格林沃尔德说.
CFS 得到的首轮投资, 绝大多数都会用于支持麻省理工学院的新型超导磁铁的研究, 当然, 团队也有信心能成功研究出满足需求的磁铁.
'但这并不是说这是一项简单的工作, ' 格林沃尔德补充道, 它需要大量研究人员做大量工作. 格林沃尔德还指出, 有团队用超导材料做出了磁铁来研究其它项目, 其电磁场是聚变堆所要求的两倍. 虽然该磁铁的尺寸较小, 但却证实了超导磁铁概念的可行性.
除了投资CFS, 埃尼还宣布与MITEI合作, 支持PSFC聚变技术创新实验室的研究项目. 未来几年, 这些研究项目的总投资会达到 200 万美元.
格林沃尔德说: '我们的策略是在MIT等机构研究的基础上, 使用保守物理方案. 如果SPARC达到预期目标, 在现实电站的规模上实现净能量输出, 这将是聚变的基蒂霍克时刻(Kitty Hawk moment, 莱特兄弟1903年于北卡罗来纳的基蒂霍克首次试飞飞机成功). '