IAE 2022.07.03

聚變能的追逐

全球新興產業核融合能(核聚變能)有望在未來十年內,追求核融合(核聚變)商業化反應器是公司作好的價值準備 

菲利普鮑爾倫敦的一位科學作家

坐落在倫敦西部泰晤士河拐彎處的古村落似乎不太可能成為未來的跳板。但明年,這裡將開工建設一座閃閃發光的玻璃和鋼鐵建築,它可以容納許多人認為是滿足 21 世紀及以後清潔能源需求的基本技術。

長期以來,核聚變被認為為永遠存在 30 年之後的前景,但它已終於接近了商業化可行性。根據代表該產業公司的華盛頓特區核融合(聚變)工業協會 (FIA) 2021年10 月份的一項調查,目前全球有 30 多家私營聚變公司;宣布融資的 18 家公司表示,它們總共吸引了超過 24 億美元的資金,幾乎全部來自私人投資(參見FUSION“融合資金”)。這些努力的關鍵是材料研究和計算方面的進步,這些技術使國家和國際機構長期追求的標准設計之外的技術成為可能。

FUSION融合資金
私營核聚變公司披露了超過 24 億美元的資金。

TAE Technologies 880 百萬美元

Helion Energy 5.78 億美元

Commonwealth Fusion Systems 2.5 億美元

General Fusion 200 百萬美元

託卡馬克能源 200 百萬美元

其他(12 家公司) 302 百萬美元

Culham 的最新企業——英國幾十年來的聚變研究中心——是位於加拿大本拿比的公司 General Fusion (GF) 的示範工廠。 它計劃於 2025 年開始運營,該公司的目標是在 2030 年代初出售反應堆。 格芯的首席執行官克里斯·莫瑞(Chris Mowry)表示,這“將是第一次與發電廠相關的大規模演示”——除非其競爭對手更早交付。

GF 的原型工廠由英國建築師 Amanda Levete 設計,展示了核聚變研究已從龐大的國家或國際資助企業轉變為由私人公司推動的時尚、注重形象的事務,通常得到國家支持。 (GF 將獲得一些英國政府的資助;它沒有透露具體金額。)

在這方面,聚變技術的倡導者說它與航天工業有很多相似之處。這也曾經僅限於政府機構,但現在受益於靈活的(儘管通常是國家援助的)私營企業的驅動力和想像力。這是“SpaceX 的融合時刻”,莫里說,他指的是埃隆馬斯克在加利福尼亞州霍桑的航天公司。

德國格賴夫斯瓦爾德的馬克斯普朗克等離子體物理研究所 (IPP) 的聚變專家 Thomas Klinger 說:“氣氛已經改變了。” “我們可以聞到我們正在接近。”投資者感受到了他們的資金回報的真實前景:例如,谷歌和總部位於紐約市的投資銀行高盛(Goldman Sachs)都在為位於加利福尼亞州山麓牧場的融合公司 TAE Technologies 提供資金,該公司已籌集了約 8.8 億美元至今。 “公司開始在政府可以建造的水平上建造東西,”位於馬薩諸塞州劍橋市的 Commonwealth Fusion Systems (CFS) 首席執行官 Bob Mumgaard 說。

正如私人太空旅行正在成為現實,許多行業觀察家預測,同樣的商業模式將在十年內引發商業融合——這是能源經濟脫碳所迫切需要的。 TAE Technologies 的首席執行官 Michl Binderbauer 表示:“在不到 10 年內實現這一目標的可能性非常大。”在國際汽聯的報告中,大多數受訪者認為核聚變將在 2030 年代為世界某個地方的電網供電。

幾位不為私營公司工作的聚變研究人員告訴《自然》雜誌,儘管前景無疑令人興奮,但十年內的商業聚變過於樂觀。 “私營公司表示,他們將在 10 年內讓它運作起來,但這只是為了吸引資助者,”Eurofusion 財團的項目經理托尼·多內 (Tony Donné) 說,該財團在國營的聯合歐洲圓環 (Joint European Torus) 上進行實驗,該機構於後期在卡勒姆成立。 1970 年代。 “他們都一直說距離一個工作的聚變反應堆還有十年的時間,而且他們仍然如此。”

國際汽聯英國通信主管、聚變公司託卡馬克能源公司的通信顧問梅蘭妮·溫德里奇說,公司計劃的時間表不應被視為承諾,而應被視為激勵願望。 “我認為大膽的目標是必要的,”她說。英國原子能局 (UKAEA) 首席執行官伊恩·查普曼補充說,建造一座真正向電網供電的聚變發電廠也可能需要國家支持。

但無論是來自小型私營企業,還是來自國內或國際的大型聚變項目,或者兩者兼而有之,實用的核聚變似乎終於出現了。 “我確信它會發生”,查普曼說。 Tokamak Energy 的首席執行官 Chris Kelsall 對此表示贊同。 “這遲早會被破解,”他說。 “這將是變革性的。”

七十年的夢想
克林格說,核聚變是我們尚未開發的“宇宙中唯一的主要能源”。自從 1950 年代利用為恆星提供能量的過程製造氫彈以來,技術人員一直夢想以更可控的方式解鎖它以產生能量。

現有的核電站使用裂變:當鈾等重原子衰變時釋放能量。相比之下,聚變通過合併非常輕的原子核(通常是氫)來產生能量,這只能在非常高的溫度和壓力下發生。在反應堆中利用它的大多數努力涉及加熱氫同位素氘 (D) 和氚 (T),直到它們形成等離子體——一種含有電離原子和其他帶電粒子的流體狀態——然後融合(參見“燃料混合物”) .對於這些同位素,聚變在比正常氫更低的溫度和密度下開始。

 

D-T聚變會產生一些短壽命中子形式的輻射,但不會像裂變那樣產生長壽命的放射性廢物。它也比裂變更安全,因為它可以很容易地關閉:如果等離子體低於溫度或密度的臨界閾值,核反應就會停止。

燃料混合
許多反應堆將氘 (D) 與氚 (T) 融合以釋放能量。這種混合物在大約 1 億開爾文的溫度下點燃或產生自我維持的聚變反應。它產生中子,可以使腔室具有放射性。


+

+

D-T

中子

Helium-4 (α)

其他反應,例如將質子 (p) 與硼 11 (11B) 融合,不會產生中子,但點火需要更高的溫度。


p–11B

+

p

硼 11

然而,讓以受控方式進行傳導變得如此困難的是,要控制帶電等離子體的挑戰,這種等離子體在大約 1 億開爾文的溫度下發生聚變——比太陽中心熱得多。通常,研究人員使用磁場來限制和懸浮反應堆內的等離子體。但是這種地獄流體中的不穩定性使得收容變得非常困難,並且迄今為止阻止了聚變持續足夠長的時間來提取比投入更多的能量來觸發它。

這必然是一門大科學,直到本世紀,只有國營項目才能聚集資源。該企業的規模體現在當今世界上最大的聚變項目上:ITER,一個正在法國南部建造的聚變反應堆,得到了包括中國、歐盟成員國、美國、俄羅斯、韓國和日本在內的 35 個國家的支持,標價至少為 220 億美元。

雖然第一次試運行計劃在 2025 年進行,但完全 D-T 聚變要到 2035 年才能進行,最終目標是持續提取 500 MW 的電力——與普通燃煤電廠的輸出相當——同時投入 50 MW進入反應堆。 (這些數字僅指直接輸入和輸出等離子體的能量;它們不考慮其他過程,例如維護需求或將聚變熱輸出轉化為電能的效率低下。)

ITER 之後可能會出現更多大型反應堆:中國擁有三座核聚變反應堆,向 ITER 提供成果,計劃在 2030 年代建造一座中國聚變工程試驗堆(CFETR),韓國和歐盟都提議建造示範電廠,將繼續從 ITER。

儘管聚變有望在本世紀下半葉成為能源經濟的關鍵部分,但國內和國際上的大規模努力不會很快成功,無法實現應對氣候變化所需的脫碳。但私營公司希望早日擁有工作且價格合理的設備(參見“Fusion rush”)。

融合熱潮
公司和政府正在開發多種聚變反應堆。 它們都加熱氣體以產生等離子體,等離子體被限制在原子核融合的高溫下,釋放出可用於發電的能量。 這裡有五個突出的設計。

與太空探索一樣,私營核聚變部門的好處之一是方法的多樣性比單一的國有企業所能召集的更多。 ITER 正在使用最常見的方法來限制等離子體,在一個稱為託卡馬克的設備中,該設備使用強大的超導磁體將等離子體保持在一個環形(環形)容器中。 帶電等離子體粒子本身的流動也會產生有助於限制等離子體的磁場。

但託卡馬克並不是唯一的選擇。在 1950 年代聚變的早期,美國天體物理學家萊曼·斯皮策(Lyman Spitzer)表明,可以將磁場配置成一個扭曲的迴路,就像一個八字形,以製造一個可以裝滿等離子體的“磁瓶”。這種設計被稱為仿星器。但是為這種複雜的幾何形狀求解描述等離子體的方程的計算量太大,因此一旦證明託卡馬克可以工作,這個概念就基本上被放棄了

 

仿星器。
然而,隨著超級計算機在 1980 年代後期出現,研究人員重新審視了這個想法。這導致了 IPP 的一個名為 Wendelstein 7-X 反應堆的仿星器項目。成本超過 10 億歐元(11.5 億美元)用於建造、人員和運營直至 2015 年的首次等離子測試,其中 3.7 億歐元的建造成本主要由德國政府承擔,Wendelstein 7-X 將於年底完工今年的。然後是一個漫長的過程,即如何將其作為一個示範項目進行常規操作。

荷蘭埃因霍溫科技大學的聚變物理學家 Josefine Proll 說,仿星器的優勢在於它們的等離子體更容易被限制,不需要(如託卡馬克)驅動強電流通過它來抑制不穩定性。但尚不清楚 20 到 30 年內是否有可能在反應堆中實施仿星器技術。 “目前似乎不太可能,”她說。 “我們還有很多基本問題需要回答,”克林格說。 “這是一台首創的機器,所以必須要有耐心,一步一步地走。”他說,私營公司設定短期目標是因為他們必須讓利益相關者滿意——但這並不意味著他們可以實現目標。

替代設計
一些私營核聚變公司堅持使用託卡馬克設計,但規模縮小了。在 Tokamak Energy,一個由大約 165 名員工組成的團隊正在研究一個球形託卡馬克,它的形狀像一個去掉了核心的蘋果。它的寬度為 3.5 米,比 ITER 託卡馬克裝置小很多倍,後者加上周圍的冷卻設備,寬高近 30 米。一些國家資助的計劃也在考慮緊湊型球形設計:例如,UKAEA 已經啟動了一個名為 STEP(用於能源生產的球形託卡馬克)的項目,旨在在原型工廠中製造這種設備,該設備將提供至少 100到 2040 年將 MW 接入國家電網。UKAEA 已將五個站點列入候選名單,並預計將在明年做出最終選擇。

這些設計的關鍵是由高溫超導材料帶製成的新型磁體,其產生的磁場比 ITER 使用的傳統超導磁體強得多。克林格說,它們是“一個潛在的遊戲規則改變者”——不僅因為它們具有更高的場,還因為傳統的超導體需要液氦冷卻。這是一場工程噩夢:液氦的粘度幾乎為零,可以通過任何微小的裂縫洩漏。相比之下,高溫超導體可以用液氮冷卻,液氮豐富、便宜且易於儲存。

迷你託卡馬克設計(CFS/MIT SPARC 反應堆)。
Tokamak Energy(與位於瑞士日內瓦附近的歐洲粒子物理實驗室 CERN 合作)和 CFS 都在寄希望於這些新磁體。 8 月,CFS 宣布已按照託卡馬克所需的形式製造它們——“按時按預算”,Mumgaard 自豪地說。

2018 年,CFS 從位於劍橋的麻省理工學院 (MIT) 等離子體科學與聚變中心分拆出來,克林格認為該公司是“最有前途、最有價值和最深思熟慮的私人聚變計劃”。麻省理工學院和 CFS 一起準備建造 Mumgaard 所說的“第一台產生淨能量的聚變機器”——產生的能量比投入的能量多。它被命名為 SPARC,正在馬薩諸塞州的德文斯建造。 Mumgaard 表示,它將在 2025 年底前運行,並將具有“商業意義”,因為它將產生約 100 兆瓦的電力。

First Light Fusion 是一家於 2011 年從英國牛津大學分拆出來的公司,它正在尋求一種不同的策略,稱為慣性約束。在這裡,聚變等離子體不受磁場的束縛:相反,衝擊波將其壓縮到聚變所需的巨大密度,等離子體僅靠慣性保持其形狀僅一瞬間,然後擴散並消散其能量.這個想法自 1950 年代就已經存在,並且還在加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的美國國家點火設施 (NIF) 中進行研究,在那裡,豌豆大小的 D-T 燃料塑料膠囊被納秒激光脈衝內爆點燃聚變。今年 8 月,NIF 報告了一種激光射擊,其產生的短暫能量輸出比以往任何時候都高 8 倍,佔反應能量的 70%。這提高了慣性約束激光聚變淨增益的希望,儘管這種能量密集型過程可能對基礎研究比對大規模發電更有用。

在 First Light,壓縮衝擊波不是由高能量激光器產生的,而是通過使用電磁射彈槍將一小塊材料發射到含有氫同位素的目標中。該公司對這一過程的細節保密,但表示要實現聚變,它需要以每秒 50 公里的速度發射這種材料——是目前衝擊波實驗中通常達到的速度的兩倍。

格芯正在採取另一種方法,稱為磁化目標融合。它涉及更慢地壓縮等離子體——例如,使用活塞——但藉助磁約束來防止熱量在等離子體被擠壓時消散。華盛頓特區美國海軍研究實驗室的研究人員在 1970 年代初期提出了這個想法,它尋求在限制託卡馬克等離子體所需的能量密集型高磁場與能量密集型沖擊波、激光或其他用於在慣性約束設計中快速壓縮等離子體的方法。

格芯的 Culham 反應堆設計使用離心機旋轉充滿熔融鉛和鋰的腔室。這種運動在液態金屬中打開了一個空腔,等離子體所在的地方。活塞系統將更多的液態金屬泵入腔室,在幾十毫秒內壓縮等離子體。融合開始;然後釋放壓力並以脈衝方式重複該過程,大約每秒一次。

通用聚變反應堆。
這個反應堆的一個特別巧妙的方面是它如何產生氚燃料——一種非常昂貴的資源,只能在核反應中製造,並且會迅速衰變。在 ITER 和其他設計中,當逸出反應堆的中子撞擊託卡馬克內襯的鋰毯時,將產生氚。在格芯的設計中,氚是在中子撞擊液態金屬壓縮系統本身的鋰時產生的。

GF 僅在過去幾年中才攻克了關鍵挑戰——製造持續時間足夠長的等離子靶材以進行壓縮,並順利快速地塌陷液態金屬空腔。然而,該公司表示,在其英國示範工廠於 2025 年投入運營後,它將“到 2030 年代初為家庭、企業和工業提供清潔、可靠和負擔得起的聚變能源”。

在某些方面,TAE Technologies 擁有一個更加大膽的概念。它計劃完全放棄 D-T 燃料,而是將硼 11 原子與氫 1 核(質子)融合。這個想法由 TAE 的聯合創始人、加拿大等離子體物理學家 Norman Rostoker 倡導,並被稱為 p-11B 聚變,所需的溫度是 D-T 聚變的十倍:大約十億開爾文。優點是該反應僅使用大量可用的燃料,並且不會產生可能污染反應堆的中子。 Binderbauer 說,這個概念提供了更低的維護成本和更可持續的最終目標。

在 TAE 反應器中,等離子體被限制在由螺線管製成的圓柱形磁場內——這種設計利用了粒子加速器技術。等離子體繞軸旋轉;這種旋轉,就像在陀螺中一樣,會產生內在的穩定性。約束不需要強大的外部磁場;這些主要是由旋轉等離子體本身產生的。為了保持它的旋轉,硼的切向光束注入角動量,而不是像一個頂部被鞭子扭轉一樣。

TAE 的反應堆。
該公司已經製作了原型來演示這種設置;自 2017 年以來,它一直在與一個名為 Norman 的測試系統合作,現在它開始研究一種名為 Copernicus 的設備,該設備將使用普通氫(或其他非聚變)等離子體運行,以避免產生中子。計算機模擬將顯示如果使用真正的聚變燃料會產生什麼能量。如果 TAE 達到 D-T 聚變所需的條件——它希望在本世紀中期左右實現——該公司計劃將該技術許可給其他追求這些燃料的人。 Binderbauer 將哥白尼稱為 p-11B 聚變所需溫度的“墊腳石”。 “我們相信我們可以達到十億度的水平,”他說——他希望在本世紀末看到這一點。

在眾多其他私營核聚變公司中,位於華盛頓州埃弗雷特的 Helion Energy 吸引了投資者的最大興趣:本月,它宣布了一輪 5 億美元的融資,總融資額達到 5.78 億美元。其目的是直接從聚變中發電,而不是使用該過程來加熱流體和驅動渦輪機。 Helion 的技術包括在線性反應器內一起發射等離子體脈衝,然後用磁場快速壓縮合併的等離子體。當聚變發生時,等離子體膨脹,其磁場與反應堆周圍的磁場相互作用,產生電流。 Helion 希望融合氘和氦 3 的混合物,這種混合物不會產生中子作為副產品。但是氦 3 本身需要通過 D-D 聚變產生。該公司正在建造一個名為 Polaris 的示範反應堆,目標是到 2024 年投入運行。

 

切換全屏
Helion 的技術將如何發電。此視頻沒有聲音。信用: Helion能源

更便宜的反應堆?
私營公司建造的反應堆比 ITER 規模的項目更小,將更實惠。 Tokamak Energy 的聯合創始人 David Kingham 設想了價值 10 億美元的設備,Binderbauer 認為 TAE 的系統可以造價約 2.5 億美元。

目的是製造與現有能源網兼容的小型聚變反應堆。 Kelsall 表示,他們還可以為能源密集型行業提供服務,例如金屬冶煉——這是可再生能源無法提供的行業。 Mowry 補充說,航運可能是另一個重要市場:產生約 100 MW 電力的設備“尺寸正好適合大型集裝箱船”。

然而,Donné 對前景仍然持謹慎態度,稱私營公司“與公共資助的項目相比,正在採取積極的時間路徑,但潛在失敗的風險也高得多”。儘管如此,TAE 堅持認為,它仍處於其在 2010 年代中期承諾的軌道上,即在本世紀末左右準備好商業化的聚變裝置(參見“未來承諾”)。

儘管持懷疑態度,但 Donné 補充道:“我認為私營核聚變公司的蓬勃發展是一個好兆頭。保持公共和私人融合項目之間的密切聯繫可以互惠互利。”這肯定正在發生。私人聚變產業不僅建立在國家對 ITER 等項目的多年投資基礎上,而且還受益於認為支持它的價值的政府——這就是為什麼英國政府和美國能源部也在投資此類公司的原因作為託卡馬克能源、CFS 和 GF。 Mowry 認為,這種公私合作是前進的方向——就像 COVID-19 疫苗一樣。而且,與疫苗一樣,世界各地都需要融合,尤其是在低收入國家能源使用增加的情況下。

Windridge 說,疫苗顯示了“如果你有資源,你可以做什麼”。 “如果我們在能源方面做出這種承諾,我認為看到可以實現的目標將是不可思議的。”與疫苗一樣,社會也迫切需要更清潔、無碳的能源。 “這是一個存在的挑戰,”莫里說。 “融合是應對氣候變化的疫苗。”

菲利普鮑爾是倫敦的一位科學作家。

未來的私營公司正在做出關於在 2030 年代交付商業聚變反應堆的大膽承諾。

Helion:淨電

(少量)

來自北極星反應堆。

巨人國際

努力 ITER:試運行。

2025

Commonwealth Fusion Systems (CFS):第一台預計產生的能量超過其使用量的聚變機器。

General Fusion:運營英國示範工廠。

TAE Technologies:反應堆“準備商業化”

到 2020 年代後期。

2030

CFS:目標是在 2030 年代初擁有 200 兆瓦的發電廠為電網供電。

General Fusion:目標是在 2030 年代初出售的反應堆。

First Light Fusion:預計在 2030 年代建成第一座發電廠。

託卡馬克能源:2030 年代的聚變發電廠(試點)。

2035

ITER:使用氘氚燃料進行聚變。

 

慈善經濟主義基本理念與行為的使命目標(Mission goals of the basic concept and behavior of charity economicism),以永續發展生命生存價值最大化為目的(The purpose of sustainable development of maximization of the value of life for the purpose),生命價值涵蓋範圍有(The value of life Scope):

 

1‧追求最大化生命生存與精神平衡基本權利 (Pursuit of the fundamental right to maximize the survival of life and spiritual balance or equilibrium)

2‧追求最大化平等教育機會 (Maximize equal educational opportunities)

3‧追求最大化慈善經濟制度(Maximize the charity economic system)

4‧追求最大化慈善經濟權利、自由與機會(Maximize the freedom of opportunity for charitable economic rights)

5‧追求最大化計劃性社會福利制度(Maximize the planned social welfare system)

6‧追求最大化永續綠色地球發展(Maximize sustainable green earth development)

7.追求最大化科技創新與人文精神平衡權利 (Pursure to maximize the balance scientific、technological innovation and humanism)

8‧追求最大化全球和平(The pursuit of maximizing global peace)

9.追求最大化太空宇宙銀河星系慈愛與和平精神(Pursuit of Maximization of Mercy and Peace in the Cosmic Galaxy)

10.追求最大化共享全球之慈愛智慧精神文明 (pursue spirtitual civilization that Maxine’s the love and wisdom of the world.)

IAE國際學士院慈善經濟(全球)「改變」資本主義自利心念思想,「選擇」慈善經濟主義核心理念與行為,「當下」瞬間時空不滅定律:「當下」瞬間選擇慈愛至善心念情境至利他立人行為,自我天天面對資本主義「自利貪婪」市場經濟情境即可改變。胡適之說:「要怎樣收獲,就那樣哉。」,更顯現莎士比亞所說:「希望在何時(當下)何地都是支撐生命的安全力量。

現代經濟公民過去不能掌控或選擇百年前資本主義於西方誕生與實行,未來也不能準確預測或掌控資本主義失衡與失靈經濟災難或將來更大於人類生存的資源不平等分配與精神心靈上的傷害。

選擇「慈愛至善」當下 . 首提出..瞬間時空不滅定律 改變生命路徑**慈善經濟主義(全球)思論*

↑↑↑  歡迎點閱

慈善經濟主義(全球) - Home  

↑↑↑  歡迎點閱分享

慈善經濟主義新論  

↑↑↑ 歡迎點閱分享

慈善經濟主義(全球) - Facebook  

↑↑↑  歡迎點閱分享

 

中國聚變工程試驗堆或建成

在 2030 年代。

英國原子能局希望STEP聚變電站能夠為國家電網供電

This article is also available as a pdf version.