3.核聚變能小型化或是人類未來能源利用的終極目標

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,釋放出的能量足夠人類使用幾百億年,且不產生長半衰期的高放射性核廢料及二氧化碳等燃燒產物。因此, 實現可控核聚變能的利用, 從根本上解決能源問題, 已成為全人類共同面臨的機遇和挑戰。

目前, 可控核聚變技術仍處于反應堆工程物理實驗階段, 潛在兩種實現途徑是磁約束和慣性約束。磁約束主要包括托卡馬克型(Tokamak)、反場箍縮型、仿星器型等類型, 其中托卡馬克型在等離子體穩定性、能量約束時間及電子溫度等參數方面具有顯著優勢, 是最重要、最有前景的磁約束位形[61~63]。  2006年在法國啟動的國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃正是基于托卡馬克型磁約束方式, 至今共有35個國家參加。該計劃將全面驗證核聚變能源開發利用在科學和工程上的可行性, 是人類可控核聚變研究走向實用的關鍵一步[63], 最初預計耗資約50億歐元、2016 年首次點火; 但因工程復雜,  耗資預計將超250億歐元, 點火時間至少推遲到2025年,  全面核聚變實驗至少在2035年才有可能開展。

歐盟作為ITER的主導, 引領著全球可控核聚變研究, 在ITER建造同時, 持續資助中型Tokamak等離子體物理、材料、工程方面的研究;還在籌劃穩態聚變示范電站(DEMO)的設計與建造, 計劃2044年開始發電, 2050年實現可控核聚變發電的商業化。美國同時重視磁約束及慣性約束兩種方式,目標是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燃核聚變反應,取得了輸出能量超過輸入能量的重要突破。中國在可控核聚變領域投入僅次于美國, EAST裝置在2017年7月獲得101。2s的穩態高約束等離子體放電;正在設計建造中國聚變工程實驗堆(CFETR),預計2040年建成DEMO,2050年左右實現商業化。此外, 俄羅斯、日本、韓國、印度等國家也非常重視可控核聚變研究,均參與到ITER計劃中, 并分別提出了2030~2040年前后建成本國的DEMO。世界各國在可控核聚變領域的相互合作與競爭,必將進一步推動可控核聚變技術的開發利用。

實現可控核聚變,是人類有效利用核聚變能的第一步, 而實現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,被視為可控核聚變小型化最有潛力的途徑[80]。美國和英國都在實驗室開展了球形托卡馬克型裝置研究,驗證了小型反應堆具有技術可行性。2016年, 美國發布了緊核聚變反應堆(ARC)設計方案, 體積只有ITER的一半。2017年, 英國宣布小型Tokamak ST40成功產生1500萬度等離子體,預計2030年左右有望突破核聚變發電技術。

短期看, 核聚變實現商業化還存在諸多挑戰, 但長遠看核聚變技術有很大實現突破的可能性, 將會為全球帶來源源不斷的綠色能源供應。根據各國的DEMO計劃和技術發展趨勢, 預計2050~2060年前后可控核聚變技術有望實現商業化。屆時,  核聚變電力的充足供應將徹底改變全球現有的能源格局, 石油、煤炭、天然氣等化石能源將由燃料為主轉向材料為主, 水電、風電、光伏等可再生能源也會淪為補充能源。而可控核聚變一旦實現小型化, 大型海上、陸上、空間運輸工具將得以長距離、高功率推動, 新型運輸工具將得以研發, 物流成本也將極大降低,  高效快速的物聯網將真正進入新時代。同時,  人類不再受限于太陽能電池板發電, 將有更高效的能量去實現空間探索與開發, 遠距離星球及外太空探索計劃不再是夢想, 人類將有機會獲得更多的知識和資源。

結語

社會文明進步、科技水平提升以及人類對生態環境的關注合力推動能源技術以前所未有的速度加快發展, 能源技術與材料創新將進入高度活躍期, 人類利用能源或將迎來第三次重大轉型, 即油氣時代走向新能源時代。引起這場能源轉型的主角, 近中期可能以先進儲能技術商業化應用帶動電動汽車快速發展為標志, 利用儲能技術積極消納間歇式風電、光電等可再生能源, 有望在2030年前后實現能源利用由低碳化向清潔化的轉型; 中長期可能以氫能的儲存和規模應用帶動氫燃料電池汽車的普及應用為標志, 大規模消納可再生能源, 并支撐電網和氣網互聯互通, 有望在2050年前后實現能源利用的高度清潔化; 超長期看可能以小型核聚變能的商業化應用和普及為標志, 為人類社會發展提供不竭動力, 或將在2060年前后實現能源利用的綠能化。

這樣的變革將對世界能源格局和經濟社會發展產生深遠影響, 石油在交通運輸方面的消費需求可能被大規模替代, 最終去向將從以交通燃料為主, 轉向以生產多類高附加值材料為主。例如輕質高強度的載具轂體、高級化工合成產品、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在同步發展的進程中還存在聯合應用的可能性, 將對人類能源利用方式和節奏產生更大沖擊。設想一下, 未來中國利用西部地區太陽輻射強、日照時間長、分布范圍廣的優勢進行太陽能發電, 然后通過大型儲能設備將剩余電能儲存并接入智能電網輸送至東部沿海地區。在滿足東部發達地區電力需求的同時,可以電解海水制備大量的氫。再通過化學儲氫和氫燃料電池的結合, 實現氫燃料汽車對傳統燃料汽車的大規模替代, 從根本上解決電力低碳清潔生產難題,大幅降低全生命周期交通運輸工具的污染物與碳排放問題。也許, 這將成為我們實現綠色中國夢的重要途徑。

人類能源利用轉型是一個長期漸進的過程, 全球能源結構發生整體變革還需要一段時間。電動汽車、氫燃料汽車以及小型核聚變裝置發展仍面臨關鍵材料及技術尚未完全突破、生產成本過高、配套設施短缺、安全可靠性有待提高等諸多挑戰。 然而, 能源領域新技術、新材料發展速度很快, 世界各國, 特別是以經濟合作與發展組織(OECD)國家為主體的經濟發達國家和地區對環境問題的高度關注, 驅使能源領域新一輪革命很可能會提前到來。可見, 前沙特石油部長的至理名言不能不說是對石油行業善意的提示和睿智的預警。雖然替代石油的三種路徑還存在科技瓶頸、政策局限、經濟波動等不確定性,但低碳清潔能源競爭發展態勢已呼之欲出,對石油替代已逐漸顯現, 能源結構轉型已勢在必行。

（本文摘自：《科學通報》第62卷 第36期）