按目前世界能量的消耗率估計, 地球上蘊藏的核聚變能可用100億年以上. 從原理上講, 聚變能可以成為人類取之不盡, 用之不竭的無碳能源. 因此, 核聚變一直是人們長久以來的夢想.
而在麻省理工學院, 一個獲投3千萬美元的新研究項目正在醞釀, 並致力於讓核聚變技術實現普及.
該項目旨在建立世界首座真正意義上的聚變電站, 這個電站200兆瓦的功率將足以與絕大多數現代商業電站相媲美. 據介紹, 聚變電站的建設迅速且低風險, 能在15年內完成.
圖丨核聚變被視作終極能源
和往常不一樣的是, MIT 選擇和一家名為 ' Commonwealth Fusion Systems (CFS)' 的創業公司合作搭建這樣一座電站. 近日, 這家創業公司從意大利能源公司埃尼(Eni)獲得5000萬美元的投資. CFS 和MIT 的共同目標都是快速實現聚變能源的商業化並建立新的行業.
麻省理工學院校長拉斐爾·賴夫(L. Rafael Reif)對這次合作充滿了期待.
圖丨MIT 校長 L. Rafael Reif
'這是曆史性的一刻: 超導磁鐵技術的進步讓聚變能觸手可及, 為這種安全, 無碳能源提供了新的可能性. 人類面臨的氣候風險正在上升, 我很高興MIT能與工業盟友合作, 為了人類的未來向能源變革全速前進' , 他說.
'聚變能的影響力與商業潛能是毋庸置疑的, 但問題是: 如何實現聚變能?' CFS CEO羅伯特·穆姆加爾德(Robert Mumgaard)說, '方法是通過結合現有科學技術, 尋找合適的夥伴, 然後一步一步解決問題. '
圖丨從左到右: MIT電漿體科學與聚變中心副主任馬丁·格林沃爾德, CFS首席技術官丹·布魯納瑪, 核科學與工程學院助理教授紮克·哈特維希, CFS首席科學官布蘭登·索爾博姆, CFS CEO鮑勃·穆姆加爾德, 以及PSFC主任丹尼斯·懷特
建立世界上最強大的超導電磁鐵
正如我們所知, 核聚變就是多個輕原子核(例如氘和氚)結合成較重原子核(例如氦)時放出巨大能量的過程, 太陽所產生的巨大能量就是源於聚變反應. 如果一旦可以實現可控的核聚變, 那麼困擾人類已久的能源問題就將得到徹底的解決.
但是, 聚變反應產生淨能量需要幾億攝氏度的極端條件, 任何固體材料都無法承受這種高溫. 而麻省理工學院與 CFS 的目標就是要建一個功率為100兆瓦的緊湊型聚變裝置.
圖丨CFS團隊
其中的關鍵一步就是要建立世界上最強大的超導電磁鐵, 超導電磁鐵也是緊湊型聚變裝置托卡馬克的重要組件. 用於製造超導磁鐵的超導材料是一種塗覆有釔-鋇-氧化銅(YBCO)複合材料的鋼帶.
YBCO材料的最大優勢是, 它能極大降低建造淨能量聚變裝置所需要的成本, 時間和組織複雜性, 從而為人們提供接觸聚變能的新方法.
美國工程學教授兼 MIT 核科學與工程系主任懷特介紹說, 由於磁鐵是新型聚變堆的關鍵技術, 而且磁鐵的發展有很大的不確定性, 所以項目最初的兩三年是針對電磁鐵的研究.
'我們認為, 將磁鐵研究放在首位能讓我們在三年內得到一個可靠的答案, 還能給予我們極大的信心繼續向前, 讓我們對最為關鍵的問題做出解答: 能否利用磁場約束電漿體的方案獲得淨能量?' 懷特介紹說.
這種超導磁鐵的效果也是非常值得期待的, 其產生的磁場將是現存聚變設備磁場的4倍, 這使得同等尺寸的托克馬克裝置的功率增加10倍以上.
麻省理工學院與 CFS 預期在三年內完成超導電磁鐵的研究, 屆時, 他們會用這些超導磁鐵設計並建設一個緊湊型聚變實驗裝置 SPARC.
圖丨SPARC托卡馬克實驗裝置示意圖. SPARC利用高溫超導體建立強磁場, 有望成為第一個有淨能量輸出的可控電漿體聚變堆
挑戰聚變的技術裡程碑
一旦磁鐵技術完成, 團隊的下一步的任務就是在現有托卡馬克實驗裝置的基礎上進行簡單的演化.
托卡馬克裝置已經經過了數十年的研究與完善, SPARC 是托卡馬克裝置的一種演變. 其中, MIT 對此的研究工作始於1970年代, 由布魯諾·科比(Bruno Coppi)和羅恩·帕克(Ron Parker)兩位教授主導. 他們研究的強磁場聚變實驗裝置一直在MIT沿用至今, 並開創了很多聚變科學方面的記錄.
目前, 緊湊型聚變實驗裝置 SPARC 的設計熱功率是 100 兆瓦. 雖然熱功率不能全部轉化為電功率, 但它足夠以10秒的脈衝為一座小城市供電. 輸出能量是加熱所需電漿體能量的兩倍, 也就實現了聚變的技術裡程碑: 淨能量輸出.
要知道, 實現核聚變反應並不難, 但目前聚變堆的最大問題是輸入能量大於輸出能量, 也就是說為了實現聚變而耗費的能量要超過聚變反應所釋放的能量. 這是一種得不償失的過程.
基於 SPARC, 科學家將能建設兩倍大的新型核電站, 它能在商業上實現淨能量輸出, 並成為商業聚變堆設計與建設的最終示範.
該項目的另一層意義在於, 它將成為大型國際合作項目 ITER 的補充研究.
圖丨國際熱核聚變實驗反應堆(ITER)項目
ITER 是世界上最大的聚變實驗裝置, 目前正在法國南部建造. 如果順利, ITER預計會在2035年輸出聚變能. 據哈特維希介紹, SPARC的輸出功率是ITER的1/5, 但它的尺寸卻是ITER的1/65.
能源市場需要新的合作模式
數十年來, 在政府對聚變研究的支援下, 科學家積累了很多專業經驗. 其中包括麻省理工學院在 1971 到 2016 年間的研究工作, 即 Alcator C-Mod 等實驗研究.
也正是在這些工作的基礎上, 麻省理工學院選擇了與一家資金充足的創業公司合作開展研究. 懷特, 格林沃爾德與哈特維希表示, 雖然聚變對改善環境做出巨大貢獻還需要時間, 但這種合作研究能大大縮短聚變技術進入市場的時間.
在過去, 能源創業公司往往需要大量研究經費才能將新的能源技術推向市場. 而傳統形式的早期投資通常與能源投資者所熟知的長周期與密集資本相違背.
'由於產生聚變反應所需要的特殊條件, 研究人員必須以一定的規模展開研究. 正因如此, 這種學術-工業合作關係是確保聚變技術快速前進的必要條件. 這可不像三個工程師在車庫裡建個App那麼簡單, ' 格林沃爾德說.
CFS 得到的首輪投資, 絕大多數都會用於支援麻省理工學院的新型超導磁鐵的研究, 當然, 團隊也有信心能成功研究出滿足需求的磁鐵.
'但這並不是說這是一項簡單的工作, ' 格林沃爾德補充道, 它需要大量研究人員做大量工作. 格林沃爾德還指出, 有團隊用超導材料做出了磁鐵來研究其它項目, 其電磁場是聚變堆所要求的兩倍. 雖然該磁鐵的尺寸較小, 但卻證實了超導磁鐵概念的可行性.
除了投資CFS, 埃尼還宣布與MITEI合作, 支援PSFC聚變技術創新實驗室的研究項目. 未來幾年, 這些研究項目的總投資會達到 200 萬美元.
格林沃爾德說: '我們的策略是在MIT等機構研究的基礎上, 使用保守物理方案. 如果SPARC達到預期目標, 在現實電站的規模上實現淨能量輸出, 這將是聚變的基蒂霍克時刻(Kitty Hawk moment, 萊特兄弟1903年於北卡羅來納的基蒂霍克首次試飛飛機成功). '