鋼鐵俠胸口的超級裝置,正在變成現實

2021-01-15 創造一下

一個清潔、高效、無害、近乎永久的能源。

這像極了《鋼鐵俠》裡的「核聚變方舟反應堆」,雖然這聽上去很離譜,但至少在實驗室裡,我們已經知道它是可行的。

核聚變反應堆正在變成現實,它的成功將改變世界,成為人類歷史上最接近完美的人造能源;或者它最終會以失敗告終,浪費無數金錢和時間,變成另一臺「永動機」。

在地球製造小太陽

太陽能是地球有適宜溫度的基礎,是植物生長的源泉,是化石燃料的本源,人類也是太陽的子民。

太陽發光發熱的本質就是核聚變,它的原理非常簡單,當兩個原子被僅僅擠壓,並最終融合成一個更大的原子時,就會釋放出巨大的能量。

模仿太陽的核聚變發電站,其發電效率遠超過人類今天所依賴的石油和天然氣等化石燃料,沒有碳排放,比風能和太陽能更穩定,而且原料非常充沛,可以直接從水中獲取。

而與現在的核裂變發電站相比,核聚變發電站幾乎沒有惱人的放射性廢料,也不會出現燃料棒熔斷的災難。

遭遇地震和海嘯後,福島3個反應堆發生了堆芯熔毀事故

由於太陽有著巨大的體積,它龐大引力自然地把氫原子和氦原子擠壓到一起,但怎麼在地球上重現這種環境就成了問題。

從1930年以來,相關的研究就開始了,1985年, 在日內瓦會議上,戈巴契夫和裡根總統提出了聯合開展核聚變實驗的計劃,來緩解冷戰的爭端。

之後國際熱核聚變實驗反應堆計劃(ITER)開始實施,共有35個國家參與,它的實驗裝置預算超過了200億美元,中國也承擔了其中9%的資金支出。

想要實現核聚變,就要還原出太陽內部的環境。

ITER使用一種叫做「託卡馬克」(tokamak)的環形裝置,它的整體造型有點像古羅馬鬥獸場,大小如同一個露天體育場,整個裝置的複雜程度超過了人類創造的任何一個建築。

2017年

託卡馬克裝置外圍是混凝土結構,中間包裹著巨大的超導電磁鐵和高約百米的不鏽鋼真空管。

當設備運轉時,在真空管內會產生出燃燒等離子體,在這裡,等離子體被加熱到極高的溫度,裝置內部材料本身就需要能承受超過1億攝氏度的高溫,最後由熱量產生蒸汽,為渦輪機提供動力發電。

由於工程設計、管理、和政治因素,這個裝置的進展一直緩慢,但最主要的原因可能還是在於它的難度。

裝置本身的規模不亞於船舶,但對精度的要求則達到了瑞士手錶的等級。而按照目前的進度,裝置最早也要等到2035年完成。

官方背後,「最不靠譜」的創業公司

核聚變的概念獲得了矽谷的追捧。

亞馬遜CEO貝索斯投資了General Fusion,微軟聯合創始人保羅艾倫投資了三阿爾法能源;矽谷著名投資人,PayPal聯合創始人Peter Thiel投資了Helion Energy。

自1970年以來,政府投資核聚變的研究經費就不斷縮減,導致科學家放棄了很多理論和模型的測試,直接把資金集中到他們認為最有希望的原型上:託卡馬克。

創業公司藉助新的資本,開始選擇新的路徑,啟封當年被政府中斷的理念和設想,其中磁約束核反應堆(ARC)成了新的方向。

「ARC」與其它的託卡馬克式系統稍有不同,它採用了一種由稀土鋇銅氧材料製成的超導體,將這種材料製成線圈後,可以產生強大的磁場,能更好地控制反應堆,並讓反應堆的體積更小、造價更低,有的設備小到可以放進普通人的客廳。

還有公司嘗試將硼元素將入氫燃料中,來降低反應堆的活躍度,讓實驗變得更加持久可控。

General Fusion則在嘗試另一種方法,在裝置裡加入活塞裝置,通過活塞高度壓縮產生震蕩波,來促成氫原子的融合。

ITER的成立時間太早,構造藍圖早已定型,同時讓35個國家一起協作也拖慢了整體進程。

創業公司的優勢就是沒有那麼複雜的層級關係,效率要比政府機構高出不少,而且它沒有歷史負擔,可以運用最新的技術手段,小步快跑,不斷根據實驗結果進行調整。

比如三阿爾法公司在2007年時還在進行混凝土的澆注,一年後,整個裝置就已經開始測試了,這讓那些習慣了給政府工作的科學家感到不可思議。

短短十年後,三阿爾法就把一個氫氣球體加熱到了1000攝氏度,並保持了5毫秒,而同類政府項目花了大約20年。

但也有不少專家認為,這些創業公司不太可能在這些替代性方案上獲得成功。

物理學家Edward C. Morse認為政府之所以放棄託卡馬克之外的選擇,是因為它們做了充分的評估,其它裝置就算實驗成功,在能效比上也不具備商業價值,目前創業公司的點子都是30年前就存在的,「在核聚變領域,每隔二十年就會有舊點子再冒出來,就跟打地鼠的遊戲一樣。」

能效比是關鍵,專家希望聚變反應堆產生的能量超過其耗能的10倍以上,提供「原子彈」般的能量比。但目前的情況是,所有的核聚變實驗反應堆都是無底洞,光是加熱加壓裝置本身就消耗了很多電能,卻只能把核聚變反應維持幾毫秒。

之後還有成本問題,哪怕由小型核聚變反應堆改造的商用發電機,最低預估成本也需要大約30億美元,沒有人會傻到因為它更環保,而放棄使用「白菜價」的石油、煤炭和天然氣。

但無論成與不成,人類都在擺脫束縛,試圖用科技改變一切,打破自然規律成為自己的神。沒有人知道這種未來會更好還是更壞,但技術不會停止它的腳步。

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