去年 12 月,隶属于加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置 (NIF) 的研究人员创造了历史:他们实现了“点火”。当聚变反应产生的能量多于消耗的能量并自我维持时,就会发生点火。
该设施用激光向含有氢同位素氘 (2H) 和氚 (3H) 的胶囊输送 2.05 兆焦耳的能量,从而引发聚变。该反应释放了 3.15 兆焦耳 (MJ) 的能量,超过了反应产生的能量。这是自 20 世纪 50 年代末受控聚变研究开始以来,首次在实验室实现这一壮举。
由于海洋中氘的含量相对丰富,因此它被认为具有无限的燃料供应。另一个好处是聚变不会产生二氧化碳等有害的大气排放物。因此,利用聚变商业能源可以提供一种新的、清洁的和可持续的能源,因此围绕这项研究的宣传自然是令人兴奋和充满希望的。
然而,商业聚变能源仍然是一个遥远的现实,NIF 的突破只是漫漫道路上的一步。反应只持续了一小会儿,而反应产生的能量 曾是 高于传递给目标的能量,远不足以达到实验总能量使用的收支平衡。
要了解有关融合未来的更多信息, 校队 联系了剑桥大学核工程研究人员尤金·施瓦格劳斯(Eugene Shwageraus)教授、杰夫·帕克斯(Geoff Parks)教授和保罗·科斯格罗夫(Paul Cosgrove)博士。他们解释说,反应必须变得更加高效,将能量产量(或减少输入能量)提高几个数量级。他们还强调了在商业规模上将反应输出转化为有用电能将面临的挑战——这一过程尚未得到证实。

所有三位研究人员都提到,尽管燃料供应基本上是无限的,因此成本低廉,但与聚变相关的总成本并非微不足道,并且是商业化的另一个主要障碍。例如,铀(用于裂变)或氘(用于聚变)的供应都不会对这些方法产生固有的限制:事实上,施瓦格劳斯教授指出,燃料供应仅占现有裂变反应堆成本的一小部分,对于融合也会出现同样的情况。 “裂变和聚变基本上都有无限的燃料,无论哪种情况,这并不意味着廉价的电力。”
此外,聚变反应堆和发电厂的设计、建造和维护还存在许多成本不确定性。这些已经困扰着聚变研究; ITER 是当今在建的最大聚变项目,计划成本达 220 亿美元。然而,美国能源部(为该项目提供资金)预计成本将更高:总计 650 亿美元,是本已庞大的费用的三倍。 ITER 对这一说法提出异议。
由于高能中子的轰击,反应堆材料也需要不断更换,因为它们在这些条件下可能会被“激活”。虽然聚变反应堆中产生的中子活化产物的寿命相对较短,但它们需要与任何核废料相同的处理措施。施瓦格劳斯教授解释说:“尽管废物的体积和活动显然比裂变反应堆小几个数量级,但监管监督和辐射防护的要求不可能完全消除。”
需要机器人处理这些组件将不可避免地增加成本。考虑到聚变发电厂的总成本,很明显它可能不会比裂变或可再生能源便宜,而且如果它确实具有商业可行性,问题仍然是它是否具有竞争力。
虽然最近的突破是一个巨大的里程碑,但与商业聚变能源相关的挑战使其未来仍然不确定。聚变能源不太可能成为全球燃料危机的可行解决方案,也不太可能在不久的将来在缓解气候变化方面发挥重要作用。因此,重要的是,对商业聚变能源的任何希望都不应分散对现有低碳能源形式的投资,例如核裂变、风能、太阳能、水力发电和生物能源,所有这些能源都已成熟并为国家电网做出贡献。