3.核聚變能小型化或是人類未來(lái)能源利用的終極目標(biāo)

核聚變能一直被視作人類徹底解決能源需求的終極模式。與核裂變能相比, 核聚變能是取之不盡、用之不竭、極度清潔的綠色能源。如果地球海水中的氘全部用于聚變反應(yīng),釋放出的能量足夠人類使用幾百億年,且不產(chǎn)生長(zhǎng)半衰期的高放射性核廢料及二氧化碳等燃燒產(chǎn)物。因此, 實(shí)現(xiàn)可控核聚變能的利用, 從根本上解決能源問(wèn)題, 已成為全人類共同面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

目前, 可控核聚變技術(shù)仍處于反應(yīng)堆工程物理實(shí)驗(yàn)階段, 潛在兩種實(shí)現(xiàn)途徑是磁約束和慣性約束。磁約束主要包括托卡馬克型(Tokamak)、反場(chǎng)箍縮型、仿星器型等類型, 其中托卡馬克型在等離子體穩(wěn)定性、能量約束時(shí)間及電子溫度等參數(shù)方面具有顯著優(yōu)勢(shì), 是最重要、最有前景的磁約束位形[61~63]。  2006年在法國(guó)啟動(dòng)的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃正是基于托卡馬克型磁約束方式, 至今共有35個(gè)國(guó)家參加。該計(jì)劃將全面驗(yàn)證核聚變能源開發(fā)利用在科學(xué)和工程上的可行性, 是人類可控核聚變研究走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵一步[63], 最初預(yù)計(jì)耗資約50億歐元、2016 年首次點(diǎn)火; 但因工程復(fù)雜,  耗資預(yù)計(jì)將超250億歐元, 點(diǎn)火時(shí)間至少推遲到2025年,  全面核聚變實(shí)驗(yàn)至少在2035年才有可能開展。

歐盟作為ITER的主導(dǎo), 引領(lǐng)著全球可控核聚變研究, 在ITER建造同時(shí), 持續(xù)資助中型Tokamak等離子體物理、材料、工程方面的研究;還在籌劃穩(wěn)態(tài)聚變示范電站(DEMO)的設(shè)計(jì)與建造, 計(jì)劃2044年開始發(fā)電, 2050年實(shí)現(xiàn)可控核聚變發(fā)電的商業(yè)化。美國(guó)同時(shí)重視磁約束及慣性約束兩種方式,目標(biāo)是30年后建成DEMO,目前已利用192束高能激光聚焦到氫燃料球上點(diǎn)燃核聚變反應(yīng),取得了輸出能量超過(guò)輸入能量的重要突破。中國(guó)在可控核聚變領(lǐng)域投入僅次于美國(guó), EAST裝置在2017年7月獲得101。2s的穩(wěn)態(tài)高約束等離子體放電;正在設(shè)計(jì)建造中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆(CFETR),預(yù)計(jì)2040年建成DEMO,2050年左右實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。此外, 俄羅斯、日本、韓國(guó)、印度等國(guó)家也非常重視可控核聚變研究,均參與到ITER計(jì)劃中, 并分別提出了2030~2040年前后建成本國(guó)的DEMO。世界各國(guó)在可控核聚變領(lǐng)域的相互合作與競(jìng)爭(zhēng),必將進(jìn)一步推動(dòng)可控核聚變技術(shù)的開發(fā)利用。

實(shí)現(xiàn)可控核聚變,是人類有效利用核聚變能的第一步, 而實(shí)現(xiàn)可控核聚變的小型化, 將是人類最終追求的清潔能源利用方式。從現(xiàn)階段看, 球形托卡馬克型因其具有更小體積和更低成本特點(diǎn),被視為可控核聚變小型化最有潛力的途徑[80]。美國(guó)和英國(guó)都在實(shí)驗(yàn)室開展了球形托卡馬克型裝置研究,驗(yàn)證了小型反應(yīng)堆具有技術(shù)可行性。2016年, 美國(guó)發(fā)布了緊核聚變反應(yīng)堆(ARC)設(shè)計(jì)方案, 體積只有ITER的一半。2017年, 英國(guó)宣布小型Tokamak ST40成功產(chǎn)生1500萬(wàn)度等離子體,預(yù)計(jì)2030年左右有望突破核聚變發(fā)電技術(shù)。

短期看, 核聚變實(shí)現(xiàn)商業(yè)化還存在諸多挑戰(zhàn), 但長(zhǎng)遠(yuǎn)看核聚變技術(shù)有很大實(shí)現(xiàn)突破的可能性, 將會(huì)為全球帶來(lái)源源不斷的綠色能源供應(yīng)。根據(jù)各國(guó)的DEMO計(jì)劃和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì), 預(yù)計(jì)2050~2060年前后可控核聚變技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。屆時(shí),  核聚變電力的充足供應(yīng)將徹底改變?nèi)�球現(xiàn)有的能源格局, 石油、煤炭、天然氣等化石能源將由燃料為主轉(zhuǎn)向材料為主, 水電、風(fēng)電、光伏等可再生能源也會(huì)淪為補(bǔ)充能源。而可控核聚變一旦實(shí)現(xiàn)小型化, 大型海上、陸上、空間運(yùn)輸工具將得以長(zhǎng)距離、高功率推動(dòng), 新型運(yùn)輸工具將得以研發(fā), 物流成本也將極大降低,  高效快速的物聯(lián)網(wǎng)將真正進(jìn)入新時(shí)代。同時(shí),  人類不再受限于太陽(yáng)能電池板發(fā)電, 將有更高效的能量去實(shí)現(xiàn)空間探索與開發(fā), 遠(yuǎn)距離星球及外太空探索計(jì)劃不再是夢(mèng)想, 人類將有機(jī)會(huì)獲得更多的知識(shí)和資源。

結(jié)語(yǔ)

社會(huì)文明進(jìn)步、科技水平提升以及人類對(duì)生態(tài)環(huán)境的關(guān)注合力推動(dòng)能源技術(shù)以前所未有的速度加快發(fā)展, 能源技術(shù)與材料創(chuàng)新將進(jìn)入高度活躍期, 人類利用能源或?qū)⒂瓉?lái)第三次重大轉(zhuǎn)型, 即油氣時(shí)代走向新能源時(shí)代。引起這場(chǎng)能源轉(zhuǎn)型的主角, 近中期可能以先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用帶動(dòng)電動(dòng)汽車快速發(fā)展為標(biāo)志, 利用儲(chǔ)能技術(shù)積極消納間歇式風(fēng)電、光電等可再生能源, 有望在2030年前后實(shí)現(xiàn)能源利用由低碳化向清潔化的轉(zhuǎn)型; 中長(zhǎng)期可能以氫能的儲(chǔ)存和規(guī)模應(yīng)用帶動(dòng)氫燃料電池汽車的普及應(yīng)用為標(biāo)志, 大規(guī)模消納可再生能源, 并支撐電網(wǎng)和氣網(wǎng)互聯(lián)互通, 有望在2050年前后實(shí)現(xiàn)能源利用的高度清潔化; 超長(zhǎng)期看可能以小型核聚變能的商業(yè)化應(yīng)用和普及為標(biāo)志, 為人類社會(huì)發(fā)展提供不竭動(dòng)力, 或?qū)⒃?060年前后實(shí)現(xiàn)能源利用的綠能化。

這樣的變革將對(duì)世界能源格局和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響, 石油在交通運(yùn)輸方面的消費(fèi)需求可能被大規(guī)模替代, 最終去向?qū)�從以交通燃料為�? 轉(zhuǎn)向以生產(chǎn)多類高附加值材料為主。例如輕質(zhì)高強(qiáng)度的載具轂體、高級(jí)化工合成產(chǎn)品、功能塑料制品、碳纖維制品、保鮮制品以及3D打印材料等, 甚至可以加工成為儲(chǔ)能電池碳電極、生物電池等低碳清潔能源的制造原料。

上述三種低碳清潔能源技術(shù)在同步發(fā)展的進(jìn)程中還存在聯(lián)合應(yīng)用的可能性, 將對(duì)人類能源利用方式和節(jié)奏產(chǎn)生更大沖擊。設(shè)想一下, 未來(lái)中國(guó)利用西部地區(qū)太陽(yáng)輻射強(qiáng)、日照時(shí)間長(zhǎng)、分布范圍廣的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行太陽(yáng)能發(fā)電, 然后通過(guò)大型儲(chǔ)能設(shè)備將剩余電能儲(chǔ)存并接入智能電網(wǎng)輸送至東部沿海地區(qū)。在滿足東部發(fā)達(dá)地區(qū)電力需求的同時(shí),可以電解海水制備大量的氫。再通過(guò)化學(xué)儲(chǔ)氫和氫燃料電池的結(jié)合, 實(shí)現(xiàn)氫燃料汽車對(duì)傳統(tǒng)燃料汽車的大規(guī)模替代, 從根本上解決電力低碳清潔生產(chǎn)難題,大幅降低全生命周期交通運(yùn)輸工具的污染物與碳排放問(wèn)題。也許, 這將成為我們實(shí)現(xiàn)綠色中國(guó)夢(mèng)的重要途徑。

人類能源利用轉(zhuǎn)型是一個(gè)長(zhǎng)期漸進(jìn)的過(guò)程, 全球能源結(jié)構(gòu)發(fā)生整體變革還需要一段時(shí)間。電動(dòng)汽車、氫燃料汽車以及小型核聚變裝置發(fā)展仍面臨關(guān)鍵材料及技術(shù)尚未完全突破、生產(chǎn)成本過(guò)高、配套設(shè)施短缺、安全可靠性有待提高等諸多挑戰(zhàn)。 然而, 能源領(lǐng)域新技術(shù)、新材料發(fā)展速度很快, 世界各國(guó), 特別是以經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)國(guó)家為主體的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)對(duì)環(huán)境問(wèn)題的高度關(guān)注, 驅(qū)使能源領(lǐng)域新一輪革命很可能會(huì)提前到來(lái)。可見, 前沙特石油部長(zhǎng)的至理名言不能不說(shuō)是對(duì)石油行業(yè)善意的提示和睿智的預(yù)警。雖然替代石油的三種路徑還存在科技瓶頸、政策局限、經(jīng)濟(jì)波動(dòng)等不確定性,但低碳清潔能源競(jìng)爭(zhēng)發(fā)展態(tài)勢(shì)已呼之欲出,對(duì)石油替代已逐漸顯現(xiàn), 能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型已勢(shì)在必行。

（本文摘自：《科學(xué)通報(bào)》第62卷 第36期）