逐梦“人造太阳” 道阻且长

  据美国趣味科学网站近日报道,美国科学家通过核聚变产生了大量能量,离“聚变点火”这一理想目标更进了一步。聚变点火意味着,创造的能量比消耗的能量更多,为开发核聚变这种新清洁能源带来了希望。

  中美日印等国正携手在法国南部开展“国际热核聚变实验反应堆”(ITER)项目,计划于2025年开始运行。除政府大力投资外,全球还有多家大型科技企业正致力于促进核聚变发电商用。但要想实现这一目标,还有很多问题需要解决。

  “人造太阳”备受关注

  核聚变与目前核电站使用的裂变技术不同。在裂变过程中,重原子核的各条键会被打断,释放出能量,但这一过程如果不能被控制,就会造成严重核事故。

  据《日本经济新闻》网站8月20日报道,在聚变过程中,两个轻原子核会“结合”到一起,创造出一个重原子核。核聚变需利用原子核内有中子的氘(重氢)和氚(超重氢),达到高温时,原子分解成带正电的原子核和负电子,形成高速流动的“等离子体”状态。在磁场下密闭时,这些物质会激烈碰撞融合,产生的巨大能量可以作为热能有效用于发电等。理论上,1克燃料产生的能量相当于8吨石油。

  在包括太阳在内的恒星内部,进行的也是同样的过程,因此在地上重现核聚变反应也叫作“地上的太阳”。

  核聚变拥有多个优势。首先,核聚变在燃料不足或等离子体不稳定时会停止反应,所以其比核裂变更容易控制;其次,虽然核聚变也会产生放射性废弃物,但它产生的废物很少,也不会排放温室气体;再次,核聚变所需的直接燃料(氘和氚)极易获取——两者都可以采用电解水的方式获取,成本优势显著。有鉴于此,一些科学家认为核聚变是一种潜在的未来能源。

  科技企业竞相发力

  核聚变具有这么多优势,吸引了政府和科技企业纷纷投入研究。

  比如,中美日印等国正在法国南部卡达拉舍开展ITER项目,目标是2025年开始运行,总建设费用将达到约250亿美元。

  据美国彭博社7月17日消息, 去年12月,美国联邦政府通过一项法案,拨付47亿美元用于核聚变和相关研究,其中包括向ITER支付15亿美元。美国国家科学院今年2月发布了一份报告,建议“能源部和私营部门应在2035—2040年间,在美国建造一个核聚变试验工厂”。

  科技企业也竞相发力。美国微软创始人比尔·盖茨援助的初创企业和美国谷歌正涉足的核聚变发电研究,目标是将其作为脱碳电源实现商用化。麻省理工学院(MIT)正在与下属的联邦融合系统公司开展一个项目,目标是在2025年试制出核聚变反应堆,最终目标是开发一座200兆瓦的发电站。

  咨询机构Crunchbase的数据显示,目前,杰夫·贝佐斯、Cenovus能源公司等个人和机构已累计对通用聚变(General Fusion)公司投入了约1.27亿美元,该公司预计2025年前在英国建造一款测试设备,商业工厂预计在十年内建成。

  与此同时,其他类似于通用聚变的多家核聚变初创公司也已获得来自政府和大型公司的数十亿美元资助,仅以总部位于美国加州的TAE科技公司为例,成立23年来筹集了8.8亿美元。

  而位于日本茨城县的国立量子科学技术研究开发机构,其实验研究反应堆“JT-60SA”已完成主体建设,将于2021年建成并开始实验,预计将在近期的测试中重现核聚变反应所需要的等离子体状态。据悉,目前日本文部省每年度向ITER和“JT-60SA”拨款约2亿美元。

  此外,东京大学还将与英国初创企业托卡马克能源公司进行联合研究,年内将致力于实施将等离子体温度提高到1亿摄氏度的实验。东京大学教授小野靖表示:“初创企业的优势是速战速决,目前,整个项目正在有序推进。”

  不少问题尚待解决

  核聚变发电看起来很有前景,但达到实用水平所需要的费用和时间还无法预测。

  比如在日本,由哪家民营企业来负责商用化尚未确定。此前,快重子增殖反应堆“文殊”一度被视为日本实现资源自给自足的希望而备受期待,投资超过1万亿日元,但最后商用化失败。《日本经济新闻》报道称,如果核聚变发电项目不明确政企双方的职责,就很可能重蹈覆辙。

  此外,虽然辐射水平不高,但核聚变发电仍会产生放射性废弃物。在日本国内,福岛核电站事故发生后,慎重使用核能发电的舆论增强。要实现商用化,除了考虑成本和技术开发之外,还需要得到民众的理解。

  更重要的是,核聚变实施起来相当困难。这个过程会产生令人难以置信的高温,需要大量能量输入——迄今为止能量输入一直超过输出,这是阻挠核聚变成为可行能源的最大“拦路虎”之一。

  美国趣味科学网站在报道中指出,美国国家点火实验装置(NIF)的科学家将包含200束激光的巨型激光阵列集中于一个微小的点,制造出了巨大的能量爆发,是他们过去制造的能量的8倍。虽然这种能量只持续了100亿分之一秒,但它让科学家离“聚变点火”更进了一步。

  而NIF一位负责人杰雷米·奇滕登谨慎地表示:“将这一概念转化为可再生的电力来源,可能是一个漫长的过程,尚需攻克多项重大技术难关。”

  来源:科技日报

未来谁有权利开采月球?为啥可控核聚变一定要用月球上的氦-3?

无心的承诺关注
今天00:57大图模式

太空采矿目前只是科幻小说或电影里的事情,但也有望在未来成为现实,因为这是人类走向深空的必由之路,就像现在的高速路每段都有服务区一样,太空采矿可以成为人类探索宇宙的中继站,我们的月球肯定会成为首要的目标。

那么,月球上富含着哪些珍贵的资源让人类如此向往呢?大量的黄金、钻石或稀有金属矿藏?虽然月球上确实蕴藏着许多有价值的物质,但这些稀有的矿藏还不至于让人类去月球上开采。但有两种物质却引起了人们的极大兴趣,那就是水和氦。

用水作为火箭燃料,或者可作为月球基地的水资源

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太空旅行是非常昂贵和需要大量资源的项目。从地球发射的火箭需要一次性携带巨量的燃料,以摆脱地球强大的引力,然后到达目的地再返回地球。路程越远、载重越大,需要携带的燃料就越多,燃料越多给火箭增加的重量就越大,这意味着又需要更多的燃料来推动火箭进入深空。

将任何物体带入太空都需要大量的燃料。

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目前人类通过卫星撞击月球南极陨石坑、分析“月船一号”发挥的数据已经发现了月球上存在水冰的“确凿证据”,而且数量惊人。这是一个令人兴奋的发现,有几个原因,特别是在未来人们肯定会在月球上建立基地。这些月球上的水可以用来饮用和种植植物,以保障日常的用水。

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而且这些水更直接的用途是制造火箭燃料。水分子由氢和氧组成,这两种物质可以作为火箭推进剂。水分子可以通过电流在(电解)分解,产生氢和氧,然后储存为液体,为火箭提供燃料。虽然月球土壤中富含的水冰如何去开采,怎样去收集,目前仍然是技术难题,但是就算月球上没有水也阻挡不了人类在月球上长期发展建立基地的想法。

还有一种想法就是在月球轨道上建立一个绕月服务站。这将使火箭在离开地球时只携带部分燃料飞向月球,然后在前往下一个目的地之前在月球上补充燃料。或者,我们可以把月球上的燃料运送到近地轨道的燃料库,让火箭停靠在离地球更近的地方补充燃料。不管怎样,这都意味着更有效地利用燃料和能源,这将为宇宙飞船进入深空提供一个跳板,降低太空探索的成本。

氦3可作为能源,那为啥一定要用氦-3呢?

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为太空探索提供资源是一回事,而我们在地球上每时每刻都需要大量的能量,因此我们更需要为地球上的生产、生活找到一种更加长期清洁有效的能源,逐渐摆脱目前有限、并且污染严重的资源(如各种化石燃料)。

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有幸得是,月球已经为我们提供了一种解决方案,其涉及到氦元素,一种有很多用途的元素,当然比平时充气球或让声音变细更有用。例如,理论上氦可以通过核聚变反应产生大量的能量。

充气球的氦元素也可以用于核聚变。

如果要使用氦作为核聚变的燃料,我们就需要氦的同位素氦-3,它的原子核比“正常”的氦少一个中子。在极高的温度和压力下,将其中两个原子熔合在一起,或者将氦-3原子与氘原子(氢的一种同位素)熔合在一起,会释放巨大的能量。事实上核聚变正是太阳和其他恒星的能量来源,这与地球上现有的任何技术相比,其产生的能量要大得多!

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将两个氦3原子融合在一起会产生大量的能量。

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可控核聚变目前仍是一种理论技术,并没有实际应用。尽管人类在近近几十年进行了大量的研究和开发,但至少在10年内不太可能看到可控核聚变技术的应用。因为目前仍然有一些主要的技术障碍需要克服,比如我们需要找到一种方法来控制核聚变的高温材料,以及处理聚变反应中释放的大量中子,这些中子具有放射性会破坏整个反应堆。而目前的磁力约束核聚变一直都徘徊在盈亏平衡点。也就是说有时输入的能量,比核聚变产生的能量还要大。

对于氦-3来说,聚变不会释放中子,也没有其他的放射性副产品需要处理。与其他一些实验性的核聚变反应(如氘和氚的聚变)或现有的核裂变过程相比,氦-3这种核燃料是一个巨大的优势。

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氦-3可以通过太阳的带电粒子流(太阳风)在太空中传播,但是地球的磁场阻止了这些粒子流到达地球表面。而月球上几乎没有磁场,所以月球的表面会受到所有带电粒子(包括氦-3)的轰击。这使得月球表面的岩石和尘埃层成为了捕获氦3的理想场所。

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如果未来的十年或者二十年人类掌握了核聚变,并能将其商业化,那么月球就真的热闹了,将会成为必争之地,这也是为什么各国一直对月球充满兴趣的原因。那时估计都没人去抢石油了。

如果我们能找到一种经济有效的方法来开采月球表面的氦-3,将其运回地球,然后利用它通过核聚变来产生能量,我们就能彻底解决地球的能源问题,还不会产生放射性副产品,也不会产生温室气体排放。不过,现在离未来还有很长一段路要走。

未来谁能开采月球?

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尽管存在很多的挑战和难题,但未来月球的资源足以激励来自多个国家的私人公司和太空机构争相去月球采矿。这就提出了两个非常重要的问题:谁能开采月球?月球采矿会对地球产生什么影响?

开采所有的氦不会导致月球从天上掉下来。采矿作业也不会对月球产生大的影响,即使月球失去其总质量的1%,对其轨道的影响也不大,也不会对地球海洋的潮汐产生影响,我们大可放心。

至于所有权,1967年的联合国外层空间条约规定,任何国家都不能拥有外层空间任何天体的所有权,这主要是为了防止美国当年乱搞。然而,限制了国家,但不会阻止私人公司把月球作为他们自己的商业财产。目前并没有相关的规定限制私人公司开采,这也是目前美国扶持私人公司的原因。

【日媒:全球科企竞相布局“地上的太阳”商用化】据《日本经济新闻》网站8月20日报道,让原子核之间发生核聚变以产生能量的核聚变发电备受关注。美国微软创始人比尔·盖茨援助的初创企业和美国谷歌也涉足核聚变发电的开发,目标是作为脱碳电源实现商用化。日本也将着手核聚变前一阶段的实验。不过,也有因庞大的建设费用导致废堆的失败案例,比如日本的快中子增殖反应堆“文殊”。商用化还面临很多课题。

  报道称,由于核聚变跟太阳一样,在地上重现核聚变反应被叫作“地上的太阳”。核聚变采用的是原子核内有中子的氘(重氢)和氚(超重氢)。达到高温时,氘等的原子分解成带正电的原子核和负电子,形成高速流动的“等离子体”状态。

  在磁场下密闭时,这些物质会激烈碰撞融合。这时产生的巨大能量可以作为热能有效用于发电等。理论上,1克燃料产生的能源相当于8吨石油。

  报道指出,现在的核电利用的是核裂变的连锁反应。如果不能好好控制,就会造成像东京电力福岛核电站事故那样的严重事故。

  而核聚变在燃料不足或等离子体不稳定时会停止反应,比核裂变更容易控制。虽然也会产生放射性废弃物,但预计比现在的轻水反应堆型核电站要少。

  报道介绍,技术开发的中心是日美欧中印等在法国南部的卡达拉舍正在建设的“国际热核聚变实验反应堆计划(ITER)”项目,目标是2025年开始运行。东芝子公司将陆续交付形成等离子体状态的核心部件——磁场线圈。总建设费将达到约200亿欧元。

  报道表示,不止是大型项目。与美国麻省理工学院合作的初创企业2025年将试制出核聚变反应堆,正在计划运行实验。

  报道注意到,谷歌也开始进行相关研发,并在产生等离子体时提高能量效率的实验中获得成功。与其共同推进研发的初创企业迄今为止已筹集到数亿美元资金,其中一部分由谷歌出资,将推进核聚变反应堆的试制工作。

  报道称,大型信息技术企业之所以进行相关开发,是因为用于人工智能的数据中心等耗电量巨大。其中有期待核聚变发电成为脱碳电力来源的因素。

  位于日本茨城县的国立量子科学技术研究开发机构也在自己的研究设施里进行相关开发。在这里,实验研究反应堆“JT-60SA”设在一个类似于巨大车库的空间里,核心设备高约7.5米,看上去就像一个巨大的金属笼。工作人员正在为正式启动实验进行检查等工作。

  量子科学技术研究开发机构的实验设备将在近期的测试中重现核聚变反应所需要的等离子体状态。原计划2020年12月前后进入测试,但因发生新冠疫情而推迟。文部科学省每年度向“国际热核聚变实验反应堆计划”和“JT-60SA”拨款约220亿日元(约合2亿美元)。

  东京大学还将与英国的初创企业进行联合研究。年内将致力于实施将等离子体温度提高到1亿摄氏度的实验,这一温度是核聚变的前提。参加该实验的东京大学教授小野靖表示:“初创企业的优势是决策速度快。10到20年的实用化进程也以比较现实的步伐推进。”

  核聚变发电看起来很有前景,但达到实用水平所需要的费用和时间还无法预测。在日本,由哪家民营企业来负责商用化尚未确定。快中子增殖反应堆“文殊”曾作为实现日本资源自给自足的王牌而备受期待,投入资金超过1万亿日元,但课题堆积如山,最后商用化失败。如果核聚变发电项目不明确官民双方的职责,就很可能重蹈这样的覆辙。

  报道指出,虽然辐射水平不高,但核聚变发电仍会产生放射性废弃物,这一点与普通核能发电没有区别。在日本国内,发生核电站事故之后,慎重使用核能发电的论调增强。要实现商用化,除了考虑成本和技术开发之外,还需要得到民众的理解。(参考消息网)


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