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「前沿」钢铁侠胸口的超级装置,正在变成现实

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ZEALER 2019-06-03 03:39 抢发第一评

一个清洁、高效、无害、近乎永久的能源。

这像极了《钢铁侠》里的“核聚变方舟反应堆”,虽然这听上去很离谱,但至少在实验室里,我们已经知道它是可行的。

核聚变反应堆正在变成现实,它的成功将改变世界,成为人类历史上最接近完美的人造能源;或者它最终会以失败告终,浪费无数金钱和时间,变成另一台“永动机”。

太阳能是地球有适宜温度的基础,是植物生长的源泉,是化石燃料的本源,人类也是太阳的子民。

太阳发光发热的本质就是核聚变,它的原理非常简单,当两个原子被紧紧挤压,并最终融合成一个更大的原子时,就会释放出巨大的能量。

模仿太阳的核聚变发电站,其发电效率远超过人类今天所依赖的石油和天然气等化石燃料,没有碳排放,比风能和太阳能更稳定,而且原料非常充沛,可以直接从水中获取。

而与现在的核裂变发电站相比,核聚变发电站几乎没有恼人的放射性废料,也不会出现燃料棒熔断的灾难。

遭遇地震和海啸后,福岛3个反应堆发生了堆芯熔毁事故

由于太阳有着巨大的体积,它庞大引力自然地把氢原子和氦原子挤压到一起,但怎么在地球上重现这种环境就成了问题。

从1930年以来,相关的研究就开始了,1985年, 在日内瓦会议上,戈尔巴乔夫和里根总统提出了联合开展核聚变实验的计划,来缓解冷战的争端。

之后国际热核聚变实验反应堆计划(ITER)开始实施,共有35个国家参与,它的实验装置预算超过了200亿美元,中国也承担了其中9%的资金支出。

想要实现核聚变,就要还原出太阳内部的环境。

ITER使用一种叫做“托卡马克”(tokamak)的环形装置,它的整体造型有点像古罗马斗兽场,大小如同一个露天体育场,整个装置的复杂程度超过了人类创造的任何一个建筑。

2017年

托卡马克装置外围是混凝土结构,中间包裹着巨大的超导电磁铁和高约百米的不锈钢真空管。

当设备运转时,在真空管内会产生出燃烧等离子体,在这里,等离子体被加热到极高的温度,装置内部材料本身就需要能承受超过1亿摄氏度的高温,最后由热量产生蒸汽,为涡轮机提供动力发电。

由于工程设计、管理、和政治因素,这个装置的进展一直缓慢,但最主要的原因可能还是在于它的难度。

装置本身的规模不亚于船舶,但对精度的要求则达到了瑞士手表的等级。而按照目前的进度,装置最早也要等到2035年完成。

核聚变的概念获得了硅谷的追捧。

亚马逊CEO贝索斯投资了General Fusion,微软联合创始人保罗艾伦投资了三阿尔法能源;硅谷著名投资人,PayPal联合创始人Peter Thiel投资了Helion Energy。

自1970年以来,政府投资核聚变的研究经费就不断缩减,导致科学家放弃了很多理论和模型的测试,直接把资金集中到他们认为最有希望的原型上:托卡马克。

创业公司借助新的资本,开始选择新的路径,启封当年被政府中断的理念和设想,其中磁约束核反应堆(ARC)成了新的方向。

“ARC”与其它的托卡马克式系统稍有不同,它采用了一种由稀土钡铜氧材料制成的超导体,将这种材料制成线圈后,可以产生强大的磁场,能更好地控制反应堆,并让反应堆的体积更小、造价更低,有的设备小到可以放进普通人的客厅。

还有公司尝试将硼元素将入氢燃料中,来降低反应堆的活跃度,让实验变得更加持久可控。

General Fusion则在尝试另一种方法,在装置里加入活塞装置,通过活塞高度压缩产生震荡波,来促成氢原子的融合。

ITER的成立时间太早,构造蓝图早已定型,同时让35个国家一起协作也拖慢了整体进程。

创业公司的优势就是没有那么复杂的层级关系,效率要比政府机构高出不少,而且它没有历史负担,可以运用最新的技术手段,小步快跑,不断根据实验结果进行调整。

比如三阿尔法公司在 2007 年时还在进行混凝土的浇注,一年后,整个装置就已经开始测试了,这让那些习惯了给政府工作的科学家感到不可思议。

短短十年后,三阿尔法就把一个氢气球体加热到了 1000 摄氏度,并保持了5毫秒,而同类政府项目花了大约20年。

但也有不少专家认为,这些创业公司不太可能在这些替代性方案上获得成功。

物理学家 Edward C. Morse 认为政府之所以放弃托卡马克之外的选择,是因为它们做了充分的评估,其它装置就算实验成功,在能效比上也不具备商业价值,目前创业公司的点子都是30年前就存在的,“在核聚变领域,每隔二十年就会有旧点子再冒出来,就跟打地鼠的游戏一样。”

能效比是关键,专家希望聚变反应堆产生的能量超过其耗能的10倍以上,提供“原子弹”般的能量比。但目前的情况是,所有的核聚变实验反应堆都是无底洞光是加热加压装置本身就消耗了很多电能,却只能把核聚变反应维持几毫秒。

之后还有成本问题,哪怕由小型核聚变反应堆改造的商用发电机,最低预估成本也需要大约30亿美元,没有人会傻到因为它更环保,而放弃使用“白菜价”的石油、煤炭和天然气。

但无论成与不成,人类都在摆脱束缚,试图用科技改变一切,打破自然规律成为自己的神。没有人知道这种未来会更好还是更坏,但技术不会停止它的脚步。

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