国际热核实验反应堆(ITER)

核聚变:制造恒星质量的能量

图片来源:ITER

Alain说,随着我们进入核聚变研究的“第三时代”,我们将朝着取之不尽、用之不竭的清洁能源迈出“一大步”Bécoulet。

“我想尽可能简单地解释核聚变的科学和技术,我想确定它在当今能源结构中的位置。”Alain Bécoulet正在讨论为什么一个以前没有作家经验的工程师会想要写一本关于核聚变主题的入门书。

他认为,公众不理解国际科研团体是如何参与一项技术的,这项技术有一天将为每个人提供廉价、可持续、清洁和绿色的能源。“明星力量”是Bécoulet的一个可读性很强的网站,它试图提供核聚变的历史和背景,“以一种帮助我们理解我们的发展方向和剩下要做的事情的方式。”

他说,核聚变的问题并不在于与实现核聚变相关的科学或技术困难。更重要的是,终点线在遥远的未来是如此遥远,以至于所有这些廉价清洁能源的想法看起来更像是科幻小说,而不是科学现实。

“无论是政府还是公众都没有足够的注意力来处理长期项目。人们只对三到四年的上市时间感兴趣,”Bécoulet解释道。“你可以在这种基础上开发洗衣机或电话。但你不可能在这段时间内开发出核反应堆,”他指的是他在ITER的工作。“就是这么简单。还有一些大型冒险活动正在进行,比如火星探索。对核聚变能源的研究是如此规模的冒险,但要在这类项目中取得成功,你需要坚持一个长期的计划。”

Bécoulet是国际热核实验反应堆(ITER)的总工程师,这是一个全球性的核聚变研究和工程大型项目,其任务是复制太阳的聚变过程,在地球上产生能量。这个位于法国南部Cadarache的反应堆被各种各样的人描述为有史以来最昂贵的科学实验,人类历史上最复杂的工程项目,以及自国际空间站开发以来最雄心勃勃的人类合作之一。

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“明星效应”

想象一个世界,那里有一种清洁、廉价、取之不尽的能源。这个世界不是科幻小说中的世界,而是核聚变的世界。几十年来,核聚变一直被边缘化,成为科学研究的边缘领域。但当我们进入阿兰Bécoulet在《星球能源》中所描述的核聚变能源的“第三时代”时,我们看到ITER项目在开发新型能源方面迈出了“一大步”。ITER的首席工程师Bécoulet解释了如何将核聚变——使恒星发光的过程——驯化为商业能源生产,在不消耗自然资源或破坏环境的情况下为世界提供无限的电力。在这篇不可或缺的主题入门文章中,Bécoulet探讨了核聚变能源的历史,解释了科学和技术,以及描述了今天大规模的科学努力,使核聚变更接近商业现实。

显然,这是个大新闻,但正如Bécoulet所解释的那样,大多数人不知道核裂变和核聚变之间的区别。值得注意的是,目前全世界有400多个运行中的反应堆正在使用裂变过程发电,而核聚变在很大程度上仍处于研究阶段。“它们都是核反应过程,”Bécoulet说,“但它们在几个特定的层面上有所不同”——这在他的书的前三分之一中有所介绍。他说,关键在于核聚变“本质上是安全的,因为它不是链式反应。这也是一种非常强大的反应——甚至比裂变还要强大。但是反应不会产生核废料。没有需要处理或埋在地表500米以下的废物。”

与此同时,核聚变反应堆的原料丰富而廉价:“核聚变反应堆将使用氘和锂,只会释放氦——这既不会伤害人类,也不会伤害自然。这三种元素都是稳定的。氘在地球上随处可见——每立方米海水中大约含有30克氘。同样,锂在地壳和海洋中都很丰富。”

Bécoulet接着说,提取这些元素所需的行业还不存在,而且它们将以环境为代价。但考虑到这些材料明显丰富,关键是在全球均匀分布,储量可以持续数万年(如果不是无限期的话),这些成本是值得吸收的。与化石燃料相比,核聚变元素丰富,因此不会带来与石油和天然气相关的地缘战略紧张局势。正如Bécoulet在《明星力量》(Star Power)一书中所写的那样,这种新能源领域“承诺了准普遍获取必要资源的巨大价值。”

在这一点上,《明星力量》的基调发生了变化,从解决世界日益严重的能源危机的幸福乐观,到解释生产能源的过程是如何“极其困难”。我们知道它是有效的,因为它发生在每颗恒星上。但也存在巨大的技术挑战,”本书中间部分概述了这一点。好消息是,这些挑战正在被克服:“如果你画一张核聚变功率随时间变化的图表,你会比电子学中著名的摩尔定律更快。但我们从零开始,还有很长的路要走。”

Bécoulet说,我们今天所处的位置正处于他所说的核聚变研究的“第三个时代”的开始,这个领域的时代大约持续了四分之一个世纪。第一次,“当我们真正有了这个想法时,我们花了25年的时间来制造一个磁约束结构,”最终设计出了托卡马克,一个旨在利用聚变能量的实验机器。

第二个时代是“我们制定了核聚变的工程定律,在研究和开发阶段,当ITER出现时,我们说:‘好吧,这是可行的’。”第三个时代,“也就是我们今天所处的时代,是我们将技术和科学整合在一起,把它们都放在一个设备上,并致力于优化它。”官方预测第一座反应堆投产时间是2050年,但一些商业组织认为时间会更早。

在我们谈话的最后,我问Bécoulet他是否有信心,有朝一日核聚变产生的电力将成为我们日常能源结构的一部分。他的回答很简短,因为他很高兴表明自己有信心让这项技术发挥作用,“但在那之后,它就不在科学家和工程师的掌控之中了。”我们正在开发一种新的能源。但如果你问我们是否会将其用于商业,我无法回答。我没有水晶球。”

《星际力量:ITER和国际核聚变能源探索》作者:Alain Bécoulet,由麻省理工学院出版社出版,售价23英镑

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提取

来自星星的力量

自从我们开始了驯化恒星能量这一有点疯狂的事业以来,已经过去了60年。这个跨度代表了很长时间还是很短?是否值得继续为企业提供资金?它有成功的合理机会吗?难道就没有其他更简单、更便宜的解决办法吗?能源问题的解决方案存在吗?难道这是另一个蒙蔽科学家判断的例子吗?

这些问题是合理的。但我们不应该把研究的动机与解决方案混淆。核聚变研究并不像宇宙学或高能物理学那样是一门基础学科。相反,它有服务于社会利益的具体目标,呈现出社会和科学界之间的道德契约,由纳税人分配的资源和独立于寻求支持的全球管理组成。

也就是说,核聚变研究与寻找一种新的、清洁的、几乎用之不竭的能源,以及发现和掌握对整个人类具有巨大影响的“秘密”的普罗米修斯事业结合在一起。科学家和政治决策者的具体工作奠定了这个具有社会意义和象征意义的事业。这就是为什么研究界从一开始就成功地在国际范围内组织得如此之好,而与其他任何竞争更激烈、运行时间间隔更小的领域形成鲜明对比。

普遍存在的近乎家庭般的合作精神令人惊叹,同样令人惊叹的还有在面对一项超人任务时的个人承诺水平。很少有研究领域表现出这种双重特征:对圣杯的追求和一场接力赛。正如我们所看到的,这项任务需要科学想象力和技术创造力:这是一项可与征服太空相媲美的行星事业。

编辑节选自“星力:ITER与国际核聚变能源探索”,作者:Alain Bécoulet,转载已获授权。

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