李垚

核聚變的三個經(jīng)濟(jì)學(xué)原理

幾十年來，物理學(xué)家一直在研究核聚變，因為它有望成為清潔能源的潛在來源。2022年12月中旬，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）點火裝置的聚變反應(yīng)報告，此次核聚變獲得進(jìn)展，最終產(chǎn)生的能量大約為2.5兆焦耳，超了激光束的能量（2.1兆焦耳）。劍橋大學(xué)核能工程師托尼·魯斯通稱贊這次核聚變的突破具有歷史意義，相當(dāng)于物理學(xué)家恩里克·費米于1942年首次創(chuàng)造核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，最終讓世界各地?fù)碛辛藬?shù)百次裂變的反應(yīng)堆，也讓世界上電力有了10%的增長。

核聚變理論上能提供幾乎無限的清潔能源，這一技術(shù)突破需要多長時間才能兌現(xiàn)？了解聚變科學(xué)，需要理解經(jīng)濟(jì)學(xué)中代表關(guān)鍵“盈虧平衡點”的三個簡單數(shù)字。

第一點被稱為科學(xué)上的收支平衡點——這是聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量多于最初用于產(chǎn)生反應(yīng)的能量。

第二個是工程收支平衡，即整個聚變反應(yīng)堆產(chǎn)生的能量多于消耗的能量。要成為有用的能源，需要能夠凈生產(chǎn)而不是消耗能源的設(shè)施。

第三個是經(jīng)濟(jì)或商業(yè)收支平衡，即聚變發(fā)電設(shè)施與其他能源相比具有成本效益。

當(dāng)前主流核電站裂變過程包括：分裂一個大原子，釋放能量（并產(chǎn)生長壽命的放射性廢物）。當(dāng)兩個小原子被加熱到足以融合并產(chǎn)生能量時，就會發(fā)生聚變。

核聚變測試試圖還原恒星提供動力的過程

最近的聚變突破話題讓人想起恩里克·費米的裂變反應(yīng)堆，他發(fā)現(xiàn)了中子慢化現(xiàn)象

聚變其實就是為包括太陽在內(nèi)的恒星提供動力的過程，此次利弗莫爾國實驗室的實驗試圖在我們的地球上重現(xiàn)這種現(xiàn)象。用世界上最強(qiáng)大的激光系統(tǒng)發(fā)射一個微小的、幾乎完美的圓形、超光滑的金剛石膠囊，粉碎里面的氫原子。

第一種方法是通過磁約束進(jìn)行核聚變，在一個巨大的反應(yīng)堆中，輕氫原子（氘和氚）被加熱，然后材料處于等離子體狀態(tài)，這是一種密度很低的氣體，它通過磁場控制。目前正在法國建設(shè)的國際ITER項目就使用這類方法。

第二種方法是慣性約束，其中非常高能量的激光被送入一個頂針大小的圓筒內(nèi)，里面裝有氫氣。這就是“兆焦耳激光”（LMJ），是美國國家點火設(shè)施（NIF）所使用的技術(shù)，加利福尼亞國家實驗室正是通過后者進(jìn)行的實驗，實現(xiàn)了能量的增長。

到目前為止，使用激光的實驗室的目的更多的是為了證明物理原理，而第一種方法則是為了重現(xiàn)接近于未來的配置。

科學(xué)界為何如此期待核聚變？

對于這個問題，科學(xué)家們認(rèn)為：“這是一種完全無碳的能源，產(chǎn)生的廢物非常少，而且本質(zhì)上非常安全，這使得它能夠成為世界能源問題的未來解決方案?！迸c核裂變不同，核聚變不會有發(fā)生核事故的風(fēng)險。此外，核聚變產(chǎn)生的放射性廢物極少，最重要的是，它不會產(chǎn)生溫室氣體。

對許多人來說，核聚變是未來的能源，但此次研發(fā)人員還算比較客觀，利弗莫爾國家實驗室主任吉米認(rèn)為：“在工業(yè)和商業(yè)規(guī)?？尚兄?，還有很長的路要走，這種項目還需要20或30年才能完成?，F(xiàn)在，我們只是利用激光實現(xiàn)了凈能量的增加，但還需要想辦法讓它變得更簡單，需要許多技術(shù)上的改進(jìn)：能量必須增加，而且操作必須是每分鐘可重復(fù)多次。”

實驗中產(chǎn)生的能量很小，只夠燒開幾壺水，好的方向是，這項實驗表明，科學(xué)原理是可行的。其中一個挑戰(zhàn)是，要讓經(jīng)濟(jì)或商業(yè)收支平衡，擁有足夠多的能量，它們是否真的值得建造，或者其他能源方式會更便宜嗎？要知道核聚變實驗并不便宜，到目前為止點火設(shè)施已經(jīng)耗資了35億美元?！包c火”成功，只是人類在可控核聚變研究上踏出的第一步。