而僅僅就在7個(gè)月之前，2022年12月，勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室就實(shí)現(xiàn)了人類歷史上第一次核聚變凈能量增益。
此番核聚變實(shí)驗(yàn)的連續(xù)突破或許意味著核聚變技術(shù)進(jìn)入了發(fā)展快車道。
連續(xù)突破
勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室表示，此次核聚變實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的凈能量比2022年12月的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更高。不過(guò)對(duì)于更多數(shù)據(jù)，勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室并未公布，而且最終結(jié)果還在分析之中。
不過(guò)實(shí)驗(yàn)室也表示會(huì)在未來(lái)的學(xué)術(shù)報(bào)告、公開會(huì)議等場(chǎng)合對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行發(fā)布。
2022年12月，勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的核聚變實(shí)驗(yàn)引發(fā)了全世界的轟動(dòng)。那是人類第一次在核聚變實(shí)驗(yàn)中獲得凈能量增益。
在那次實(shí)驗(yàn)中，研究人員輸入了2.05兆焦耳的激光能量，輸出了大約3.15兆焦耳——大約增加了50%，這表明顆粒中的聚變反應(yīng)正在推動(dòng)進(jìn)一步的聚變反應(yīng)。美國(guó)國(guó)家核安全管理局的Marvin Adams博士說(shuō)：“產(chǎn)生能量所花費(fèi)的時(shí)間比光傳播一英寸所花費(fèi)的時(shí)間還少。”
《能源》雜志在報(bào)道《核聚變?nèi)〉猛黄疲?ldquo;人造太陽(yáng)”卻很遙遠(yuǎn)》中詳細(xì)介紹了這一次實(shí)驗(yàn)的情況。
這次實(shí)驗(yàn)的成功也讓勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家點(diǎn)火裝置獲得了更多的支持。2023年5月，美國(guó)能源部長(zhǎng)Jennifer Granholm在勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一次公開活動(dòng)上特別提及了國(guó)家點(diǎn)火裝置在2022年12月的成功試驗(yàn)，稱其讓“核聚變有望成為負(fù)擔(dān)得起、豐富的、可靠的清潔能源”。更重要的是，Jennifer Granholm宣布為核聚變研究未來(lái)4年提供4500萬(wàn)美元的聯(lián)邦資金。
要知道在此之前，國(guó)家點(diǎn)火裝置由于延期、成本超支等問(wèn)題，屢次在財(cái)務(wù)上被國(guó)會(huì)議員諷刺為“國(guó)家無(wú)法點(diǎn)火裝置”。而核聚變研究得以延續(xù)，是因?yàn)槊绹?guó)需要在不進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn)的情況下推進(jìn)核聚變方面的研究。
去年12月的成功已經(jīng)為美國(guó)核聚變和國(guó)家點(diǎn)火裝置續(xù)命，而現(xiàn)在連續(xù)重復(fù)實(shí)驗(yàn)，不僅會(huì)讓美國(guó)投入更多資金在核聚變研究方面，更會(huì)讓核聚變這個(gè)本就火爆異常的概念進(jìn)一步地風(fēng)靡。
火爆的藍(lán)海
很難想象核聚變這樣一個(gè)冷門的學(xué)科現(xiàn)在正在成為資本熱捧的焦點(diǎn)。
2023年5月，總部位于華盛頓州埃弗雷特的Helion Energy宣布將會(huì)在2028年之前建成世界上第一座聚變發(fā)電廠。而且他們已經(jīng)為自己的核聚變電力找到了第一個(gè)客戶——軟件巨頭微軟。雙方已經(jīng)簽訂了電力購(gòu)買協(xié)議。Helion Energy預(yù)計(jì)核聚變電廠投產(chǎn)后將在1年內(nèi)實(shí)現(xiàn)至少50MW的發(fā)電能力。
Helion Energy的歷史已經(jīng)有10年之久。今年年初大火的ChatGPT母公司OpenAI首席執(zhí)行官Sam Altman在2021年11月就曾對(duì)Helion Energy投資3.75億美元。
Helion Energy 2028年建成第一座核聚變發(fā)電廠的目標(biāo)在諸多核聚變初創(chuàng)企業(yè)中顯得極為鶴立雞群。大部分企業(yè)也只是宣布在2030年代初開始運(yùn)營(yíng)商業(yè)化發(fā)電廠。
與勞倫斯·利弗莫爾這類國(guó)家實(shí)驗(yàn)室不同，初創(chuàng)核聚變企業(yè)在近兩年來(lái)開始成為投資者們矚目的焦點(diǎn)。
在全球進(jìn)入碳中和時(shí)代之后，尋找能源終極解決方案就成為各方關(guān)注的焦點(diǎn)。核聚變這種類似于太陽(yáng)功能方式不僅完全沒(méi)有碳排放，而且可以提供巨大的高溫能量。因此這個(gè)原本脫胎于氫彈的技術(shù)開始成為人類解決能源問(wèn)題的重要路徑。各個(gè)國(guó)家的政策性支持成為企業(yè)不斷融資、喊出更為夸張口號(hào)的基礎(chǔ)。
《美國(guó)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)2050年氣候目標(biāo)》中，就將聚變能源列為5個(gè)首要任務(wù)之一。2022年，美國(guó)發(fā)布《商業(yè)聚變能源十年發(fā)展規(guī)劃》，計(jì)劃建設(shè)首個(gè)核聚變發(fā)電廠。
另一家美國(guó)初創(chuàng)核聚變公司Commonwealth Fusion Systems已經(jīng)募集了20億美元的資金，計(jì)劃在美國(guó)建立一座聚變反應(yīng)堆SPARC，占地將近47畝，預(yù)期在2030年代初期實(shí)現(xiàn)商業(yè)核聚變發(fā)電。
英國(guó)政府計(jì)劃到2040年通過(guò)球形托卡馬克(STEP)能源計(jì)劃以及由私營(yíng)組織創(chuàng)造的其他聚變技術(shù)來(lái)展示核聚變的商業(yè)可行性。
英國(guó)托卡馬克能源公司2022年公布了開發(fā)新型球形托卡馬克原型裝置ST80-HTS的計(jì)劃。如果ST80裝置2026年投運(yùn)，將為建設(shè)中試聚變電廠提供關(guān)鍵信息，使該電廠可以在本世紀(jì)30年代初投運(yùn)。
2023年，日本也敲定首個(gè)核聚變能源開發(fā)戰(zhàn)略方案，計(jì)劃推出企業(yè)參與研發(fā)實(shí)驗(yàn)的核聚變反應(yīng)堆，并爭(zhēng)取在2050年左右實(shí)現(xiàn)核聚變發(fā)電。
而就在勞倫斯·利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室再次重現(xiàn)核聚變凈能量增益之前的7月28日，由諾獎(jiǎng)得主中村修二創(chuàng)立的核聚變初創(chuàng)公司Blue Laser Fusion(BLF)在種子輪融資中籌集了2500萬(wàn)美元，該公司計(jì)劃2025年開發(fā)出第一個(gè)核聚變?cè)蜋C(jī)，2030年在東京開發(fā)商業(yè)反應(yīng)堆。
6月22日，德國(guó)政府宣布了推動(dòng)國(guó)內(nèi)核聚變發(fā)展研究的計(jì)劃草案?？茖W(xué)部長(zhǎng)貝蒂娜·斯塔克-瓦青格表示，根據(jù)該提案，德國(guó)將支持目前正在開發(fā)的所有有前途的聚變技術(shù)，包括最近在美國(guó)取得突破但在歐洲尚未得到廣泛研究的激光技術(shù)路線。
德國(guó)初創(chuàng)公司Proxima Fusion正在開創(chuàng)革命性的仿星核反應(yīng)堆，并雄心勃勃地計(jì)劃到2030年代建造一座聚變發(fā)電廠。
Proxima Fusion是馬克斯·普朗克物理研究所的子公司，已籌集700萬(wàn)歐元用于開發(fā)創(chuàng)新的高性能仿星器，即磁約束聚變裝置。
商業(yè)化迫近？
然而盡管已經(jīng)兩次出現(xiàn)核聚變實(shí)現(xiàn)凈能量輸出，世界各地的核聚變初創(chuàng)企業(yè)口號(hào)喊得震天響，各個(gè)國(guó)家也都在謀劃核聚變的應(yīng)用。但我們距離核聚變走進(jìn)日常生活，可能還有一段距離。
在核聚變研究領(lǐng)域，有一個(gè)流傳多年的梗——“核聚變的突破，總是在下一個(gè)十年”。從1950年代可控核聚變作為民用技術(shù)開始研究，70多年的時(shí)間里核聚變總是被期待實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵突破，為解決人類的終極能源問(wèn)題而做出貢獻(xiàn)。但卻始終未能成行。
在沒(méi)有恒星極端引力的情況下，通過(guò)核聚變反應(yīng)堆在地球上重現(xiàn)“人造太陽(yáng)”會(huì)帶來(lái)諸多技術(shù)和工程挑戰(zhàn)。其中最大的挑戰(zhàn)是將等離子體中的離子溫度保持在1億攝氏度以上，將等離子體約束在一個(gè)磁場(chǎng)中并保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以便發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生能量。
截至目前，實(shí)現(xiàn)并長(zhǎng)時(shí)間維持核聚變反應(yīng)仍是重大挑戰(zhàn)。唯有開發(fā)出一種穩(wěn)定可靠的核聚變發(fā)電方式，才能使之成為商業(yè)可行的能源。
2023年4月12日，中國(guó)“人造太陽(yáng)”——全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)溫態(tài)高約束模式等離子體運(yùn)行403秒，創(chuàng)造了新的紀(jì)錄。此次EAST實(shí)驗(yàn)成功實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)高約束模式等離子體運(yùn)行403秒的新的世界紀(jì)錄。這一突破有望對(duì)探索未來(lái)的聚變堆前沿物理問(wèn)題產(chǎn)生重要意義，并提升核聚變能源經(jīng)濟(jì)性、可行性，加快實(shí)現(xiàn)聚變發(fā)電。
中國(guó)在核聚變應(yīng)用研究方面起步并不算早，但已經(jīng)進(jìn)入世界領(lǐng)先水平。根據(jù)《日經(jīng)新聞》數(shù)據(jù)，在核聚變專利排名中，中國(guó)排名第一，領(lǐng)先于排名第二、三、四的美國(guó)、英國(guó)和日本。
6月，科技部黨組書記、部長(zhǎng)王志剛帶隊(duì)赴合肥調(diào)研核聚變相關(guān)工作并就聚變能未來(lái)發(fā)展路徑研究召開專題座談會(huì)。
王志剛指出，核聚變能是人類未來(lái)終極能源，積極推進(jìn)核聚變相關(guān)工作意義重大。當(dāng)前國(guó)內(nèi)正在探索的磁約束托卡馬克氘氚聚變、Z箍縮聚變裂變混合堆、磁約束球型環(huán)氫硼聚變等幾種技術(shù)路線，在研究基礎(chǔ)、建設(shè)進(jìn)展、研究難點(diǎn)、預(yù)期節(jié)點(diǎn)等方面存在差異，處于研究開發(fā)的不同階段，各具優(yōu)勢(shì)。
王志剛強(qiáng)調(diào)，下一步要聚焦核聚變工程、技術(shù)和方法研究，加速核聚變能源化利用進(jìn)程。同時(shí)，加強(qiáng)原創(chuàng)性引領(lǐng)性科技攻關(guān)，強(qiáng)化制度保障和政策引導(dǎo)，加強(qiáng)配套技術(shù)研究，謀求未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)我國(guó)核聚變領(lǐng)域科技創(chuàng)新工作高質(zhì)量發(fā)展。
