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分类: 工业

核聚变发电的梦想还有多远?

杰罗姆 · 帕梅拉 / 国际热核聚变实验堆(ITER)计划法国总监 / 2015-03-16

不断增加的全球能源消费、化石资源的日益稀缺、气候变化、温室气体减排……让人类发展新能源和可再生能源、努力减少碳足迹迫在眉睫。面对不可避免的能源转型,核聚变技术的开发被提上了日程,我们如果能够证明其可行性,就可以向核聚变发电产业迈进。问题是,核聚变发电的梦想离我们究竟还有多远?

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巴黎高科评论:为什么要设立ITER计划?

Jérôme Paméla: 设立该计划的一个根本性前提假设是,在不太遥远的将来,核聚变将成为一种全新的、储量丰富且清洁的可用能源。其废弃物可控,而且可以在很大程度上被回收利用。因此,核聚变能源会和其他可再生能源一起,共同为人类服务。核聚变的这些特点决定了它是无可争议的最后王牌。

据估计,今天的全球能源消耗为120亿吨标准油(TOE),而且还在继续增加。一些专家认为,到下世纪初,全球能源消费将达到目前的两到三倍。另一方面,化石能源(石油、煤和天然气)储量将被耗尽,开采和使用成本正急剧增加。最后,气候变化迫使我们寻求温室气体释放量更少的能源。我们不得不研究和开发新能源。现在的问题不是反对利用新能源,而是要在时机成熟时,向政策制定者们呈上可行的解决方案。
到底什么是核聚变?

与轰击重原子核如铀或钚以促成其裂变的方式正相反,核聚变旨在将最轻的原子核进行碰撞,使它们能够融合在一起,并剧变成更重的元素。这一过程将释放出大量的核能。这种核反应就是太阳和其他所有恒星的能量源。在这种意义上,核聚变是最原始的“能量之母”,因为我们现在所使用的所有能源都来自太阳,不管是化石能源(来自光合作用),还是更明显的太阳能和风能等。

数十年的研究和开发已经证明,氢的两个同位素氘(一个质子、一个中子)和氚(一个质子、两个中子)是最“有效”的核聚变反应元素。地球上有大量的氘和氚元素,它们可以从锂中获得。

氘和氚的聚变反应中,两个质子和两个中子聚变成一个氦原子核,并放出一个自由中子。这个过程释放出巨大的能量。举个例子,一个笔记本电脑电池中含有的锂或四十公升水中含有的氘通过核聚变反应所释放出的能量,相当于一个欧洲人30年消耗的能量。这些能量如果通过火力发电获得,则需要燃烧40吨煤炭!

要发生聚变反应,原子核必须足够靠近彼此。为了实现这一点,它们的温度要升高到(并保持在)约1.5亿摄氏度,使原子处于第四状态——等离子体,气态物质在极高温的条件下完全电离,电子已经无法保持在正常的轨道上绕核运转。

此时核聚变反应就会被触发,我们通过托卡马克(一种环状大电流的约束等离子体实验装置),利用磁场将等离子体封闭起来。以这种方式,“燃料”,即氘和氚的原子核以及核聚变的产物氦原子核,都会被密闭于等离子体中。中子不带电,因此不受周围磁场作用。中子将在核聚变反应中产生的80%的能量输送到等离子体的外部,转化成热能施于托卡马克的壁上,在那里被收集起来。

欧洲拥有世界上最大的托卡马克 JET (欧洲联合环, Joint European Torus),安装在英国的牛津附近。我很荣幸曾直接负责JET长达七年。这项研究目前保持了核聚变能量输出的世界纪录:16兆瓦。

可否具体介绍一下ITER?

其目的是为了证明利用托卡马克进行磁约束和聚变的科学与技术可行性。JET运行时所消耗能量要远远多于所产生的,而ITER则需要证明能够达到输出功率是输入功率10倍以上。换句话说,50兆瓦能量的输入,用于加热等离子体之后要产生500兆瓦的输出。 ITER是有史以来最大的托卡马克。等离子体的体积将达到840立方米,而目前最大的两个托卡马克为100立方米,分别位于欧洲和日本。

到2030年,我们希望能用ITER证明可以“可持续”地生产核聚变能源。在此之后,我们将用第一个原型来试验无间断的电力生产,以及在反应堆内利用锂来生产氚。到2050年,我们将有一个试验型工业反应堆开机运行。

这是一项极端复杂的工程,不管是从科学和技术角度看,皆是如此。只有大规模的国际合作才能保障其顺利实施、执行和足够的资金投入。从长远来看,ITER将需要1000个左右的科研、工程和技术人员,而且必须是聚变物理学、等离子体、低温科学、计算机科学、工程管理、电子学等领域的专家。

在成本方面,据欧盟评估,仅建造阶段各参与方就需要各自投入130亿欧元和10年以上的时间,而且这也仅仅是个大概。各成员国承担的实际成本是不同的,根本无法给出一个详细估计。对于运行阶段,计划需要持续20年来,初步估计(15年前的数字)略低于50亿欧元,现在这个数字需要重估,实际数字将大得多。虽然成本巨大,但要与能源采购成本比较来看:目前全球能源市场的年销售额约为35万亿欧元。

这个组织的运行方式是什么样的?

事实上,这是人类有史以来第一个如此大规模的国际科学组织,酝酿了很长时间:首次提出建立一个国际计划来开发核聚变技术、用“永不枯竭的能源来服务人类”的时间可以追溯到1985年。我们还记得,这一研究领域的解密是在1958年,正是冷战紧张的时刻,俄罗斯和美国同意公布研究结果……

经过多次峰会、协议签署、10多年越来越详细的设计以及最后3年的谈判,卡达拉舍终于被选定为修建地点,之后ITER组织迅速扩大。今天,ITER拥有7个合作国家和地区:中国、韩国、美国、欧洲、印度、日本和俄罗斯,代表着35个国家与世界一半以上的人口。每个国家都参与贡献资金和组件。

ITER的建设进展如何?

进展顺利。几栋已经建成或正在建设中。用于办公和安置家庭的楼宇已经投入使用。用于安装托卡马克的建筑需要庞大的地基,特别是要遵守,并组织家庭办公楼宇的运营。核建筑——用来容纳托卡马克——需要庞大的地基,尤其需要达到防震标准,深度达地表以下20米,493个防震桩,每个2米高,这些都已经安装完成。

托卡马克自身重达2.3万吨,如果再加上防震设备、辅助设备和建筑本身,总重量为36万吨。

另外两个组成建筑也已建成。第一座长250米,将用于装配构成托卡马克磁体的庞大超导线圈。最大的线圈直径长达24米,组装要分成几个阶段,就地安装。

第二个建筑将被用于装配低温恒温器,由印度负责。低温恒温器像一个大盒子,用于为超导磁体创造极低温的绝缘工作环境:零下269摄氏度,仅比绝对零度高4度!施工过程中,用真空分离两个墙壁,工作原理就像一个Thermos®烧瓶。低温恒温器是托卡马克中最大的组件之一,直径44米,高27米。低温恒温器的各个部位都是不锈钢的,由印度制造,然后用船运到法国,再转陆路到达卡达拉舍,在那里被组装与焊接在一起。

遇到了哪些主要挑战?

主要是技术。等离子体的隔离就是项艰巨的任务。要进行工业化应用,即利用核聚变技术产生持续的电力供应,必须开发出合适的反应堆内壁材料,能够长时间承受携带着巨大能量的中子的轰击。

反应堆燃料即反应堆中能触发核聚变过程的氚的生产,也需要进行缜密的研究。燃料的生产部件将被设计在反应室盖的内壁上。对于ITER来说,“氚盖”必须能够证明它能从锂中子的对撞中产生氚元素。这样,核聚变的燃料之一氚就可以在反应室内部产生,只剩下氘和锂需要从外部注入反应堆。

核聚变产生的废料该如何处理?

事实上,核聚变的过程不直接产生任何放射性废料。我们需要做的是正确处理托卡马克的壁涂层,以使反应壁中由中子轰击而产生的核放射最小化。这也是为什么开发出一种“抑制激活”材料的极端重要性所在。我们的目标是被激活的元素生命周期尽可能短——科学上被称为“半衰期”,以保证用于反应堆的大多数物质能够在此后的1个世纪内衰变完成。各项研究已经在欧洲展开,合作伙伴也是遍及世界各地。我们已经接受了几个建议方案,特别是对一种铁素体不锈钢的使用。

你们有考虑这些核设施的维护和退役吗?

当然!退役是开发每一个新项目都必须考虑的重要方面之一。设施的退役技术职责在法国,因为设施就在法国。我们因此已经参与并坚定承诺在设计和安装的所有过程中都会考虑退役的关键细节。

ITER的维护在很大程度上是遥控进行的,通过能够在核辐射环境中操作和移动重达几吨重部件的机器人来完成。

你认为还需要多久才能利用核聚变来进行大规模不间断能源供应?

首先,到2030年时,我们应该能证明核聚变的科学和技术可行性,以及将产出功率做到输入功率的10倍以上。但连续的电力供应在目前看来,至少是2050年之后的事情了!这项雄心勃勃的计划有太多的科学和技术障碍需要逾越。在我看来,这个计划的难度不亚于将人类送上火星,再把他们安全地送回来。对于这些挑战不可以掉以轻心。困难一直在那里,未来也将继续存在,但我们会克服这些困难。



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