雖然太陽(yáng)能和風(fēng)能的制造成本，在不斷下降，但是在未來(lái)，傳統(tǒng)的清潔能源，并不一定能滿(mǎn)足我們的需求，而核能可能會(huì)成為至關(guān)重要的角色。它就是最近30年來(lái)，一直受人們關(guān)注的核聚變。伴隨著一種新型聚變裝置的出現(xiàn)，它能否改變?nèi)祟?lèi)的未來(lái)呢？
核聚變
獲得核能有兩種方式，一種是核裂變，另一種叫核聚變。大部分核電站，運(yùn)用的都是裂變反應(yīng)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它是將不穩(wěn)定的鈾235原子，分裂成一些更小的中子碎片，這些小碎片，再去撞擊其他的鈾235原子，從而產(chǎn)生連鎖反應(yīng)效應(yīng)，整個(gè)反應(yīng)會(huì)釋放出大量能量，熱量會(huì)讓水蒸發(fā)，生成的水蒸氣，可以推動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電。
核裂變示意圖
聚變跟裂變完全相反，它是聚集而不是分裂。聚變反應(yīng)跟太陽(yáng)類(lèi)似，卻又不完全相同。太陽(yáng)是先將氫的同位素分裂，然后在天文溫度和高壓條件下，將它們?nèi)诤铣珊ず?。一般情況下，聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量，是裂變產(chǎn)生能量的4倍，聚變反應(yīng)的原料，并不是半衰期長(zhǎng)， 放射性強(qiáng)的鈾或钚。它所用到的是氫的同位素。氘是自然界中的一種穩(wěn)定元素，氚雖然不太穩(wěn)定，但是 ，它的半衰期相對(duì)較短。所以 ，它們更安全， 也更環(huán)保。
氘和氚
相比于裂變，它們的來(lái)源更豐富， 也更便宜。因?yàn)殡强梢詮暮Ｋ刑崛〕鰜?lái)的。雖然自然界中，氚的含量比較少，但在聚變反應(yīng)過(guò)程中，當(dāng)中子跟硫等元素作用時(shí)，是可以得到氚的。
氘可以從海水中提取出來(lái)
格林沃爾德博士認(rèn)為，核聚變是一種理想能源。首先 ，它的原料是不受限制的。其次 ，反應(yīng)產(chǎn)生的能量密度非常高，只需要0.1克的氘和0.3克的鋰，就能夠?yàn)槊绹?guó)全國(guó)，提供整整一年的電力需求。聚變反應(yīng)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)，就是環(huán)保。核裂變會(huì)生成很多高放射性物質(zhì)，如果保存不當(dāng)，可能會(huì)讓地球產(chǎn)生幾十年的連續(xù)污染。裂變核電站也極容易發(fā)生熔毀爆炸事故，例如2011年發(fā)生的福島核電站事故，而這些事故并不會(huì)發(fā)生在托卡馬克裝置中。
核裂變產(chǎn)生發(fā)射性廢料
托卡馬克是一種利用磁約束，來(lái)實(shí)現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形容器。它可以將氫的同位素，加熱到1.5億度，在這么高的溫度下，原子的電子被剝離變成離子，帶電粒子會(huì)相互碰撞，并融合在一起。這就跟太陽(yáng)中發(fā)生的反應(yīng)一樣。聚變反應(yīng)相對(duì)更安全，因?yàn)榘逊磻?yīng)原料切斷后，聚變就會(huì)立刻停止，而裂變卻不行，只能眼睜睜的看著反應(yīng)堆被融化掉。聚變不僅幾乎不產(chǎn)生廢料，它還不占用大量的土地跟水資源，這讓核聚變，成為了可再生能源的一個(gè)很好的補(bǔ)充。
托卡馬克裝置示意圖
盡管有著這么多優(yōu)勢(shì)，但30年來(lái)，還沒(méi)有一臺(tái)功能完善的聚變動(dòng)力反應(yīng)堆，被制造出來(lái)，前面提到，核聚變的反應(yīng)溫度是1.5億度，而我們輸入到反應(yīng)堆中的能量，要比反應(yīng)后得到的能量還要多。聚變能量增因子，是用來(lái)評(píng)估反應(yīng)堆性能的參數(shù)，通常用q表示。當(dāng)q等于1時(shí)，就說(shuō)明反應(yīng)堆到達(dá)了能量盈虧平衡點(diǎn)。而我們需要的就是q大于1。
聚變能量增因子
歐洲聯(lián)合環(huán)流器的記錄是q=0.67，而國(guó)家點(diǎn)火裝置，將q值提升到了0.7。大家注意，這里的q值，只考慮到設(shè)備的啟動(dòng)，并沒(méi)有把運(yùn)行所需要的全部能量計(jì)算在內(nèi)。如果把所有的一切都計(jì)算在內(nèi)的話(huà)，我們所需要的q值，應(yīng)該在10-25之間。這就是為什么，科學(xué)家這么關(guān)注q值的原因，一旦突破了這個(gè)點(diǎn)，整體功率將向增益轉(zhuǎn)變。
核聚變裝置
2025年，國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER)，有望將聚變的綜合Q值提升到10以上。ITER誕生于20世紀(jì)80年代，核心的托卡馬克實(shí)驗(yàn)堆，在2007年開(kāi)始開(kāi)工建設(shè)，一旦完成，它將成為世界上最大的聚變反應(yīng)平臺(tái)。但是 想要看到這么大的反應(yīng)堆運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)，至少要等到2035年。
建設(shè)中的ITER
那么，有沒(méi)有一種更小， 更靈活的方案呢？當(dāng)然有，其中一種是磁約束核聚變，它是通過(guò)一個(gè)特殊的磁場(chǎng)，將氘 ，氚等原子核和自由電子，組成的處于熱核反應(yīng)狀態(tài)的，超高溫等離子體束縛起來(lái)。在它的內(nèi)部，發(fā)生受控制的原子聚變反應(yīng)，釋放出熱量。
超導(dǎo)體反應(yīng)堆
2021年，麻省理工學(xué)院跟CFS公司，聯(lián)合研發(fā)出了世界上第一臺(tái)，等離子體聚變?cè)O(shè)備，簡(jiǎn)稱(chēng)SPARC。它也是地球上，有史以來(lái)最強(qiáng)大的磁鐵之一。這臺(tái)機(jī)器使用的是一種叫，高溫超導(dǎo)體的材料，簡(jiǎn)稱(chēng)HTS。早在2015年，麻省理工學(xué)院就提出了，運(yùn)用這種超導(dǎo)體材料（HTS)的設(shè)想。為了能夠產(chǎn)生超強(qiáng)磁場(chǎng)，新設(shè)備中的超導(dǎo)材料的長(zhǎng)度，達(dá)到了276公里。在高溫環(huán)境中， 它仍然可以產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng)。HTS超導(dǎo)體類(lèi)似于陶瓷，是一種由稀土和鋇銅氧化物，合成的一種易碎材料。
超導(dǎo)體材料
早在80年代，IBM的兩位科學(xué)家，在蘇黎世的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室里，就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這種高溫超導(dǎo)材料的雛形。幾十年來(lái)，人們并不認(rèn)為它是一種工程材料，直到麻省理工學(xué)院，打破了這個(gè)傳統(tǒng)觀念，做出了創(chuàng)新。這種超導(dǎo)材料，不僅可以產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)，更大的作用是節(jié)能。銅也可以產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng)，但會(huì)消耗大量能量。所以 ，這臺(tái)機(jī)器的設(shè)計(jì)目的，是以更小的單位，實(shí)現(xiàn)最大化的凈能量增益。
制造中的新設(shè)備
與使用低溫超導(dǎo)超導(dǎo)材料的ITER相比，這臺(tái)新機(jī)器的體積，僅僅是它的2%，這大大降低了制造成本和制造時(shí)間。在最近的一次實(shí)驗(yàn)中，這臺(tái)機(jī)器產(chǎn)生了20特斯拉的磁場(chǎng)，這充分證實(shí)了，這臺(tái)等離子聚變?cè)O(shè)備背后的理論依據(jù)。經(jīng)過(guò)了幾年的研究，科學(xué)家們將它的磁場(chǎng)強(qiáng)度，又增加了1倍，直接的結(jié)果是，它的發(fā)電量增加了10倍。
工作示意圖
科學(xué)家們也在對(duì)它，進(jìn)行最后的完善，希望在2025年前正式運(yùn)行。他們的目標(biāo)是要讓SPARC將成為世界上第一臺(tái)，產(chǎn)生凈能量輸出的聚變裝置。而它的Q值 ，也會(huì)在10以上。整部機(jī)器的制造成本，將高達(dá)2.5億美元。如果成功，這可能會(huì)引發(fā)核聚變的革命。Sparc有著很高的功率，這意味著，反應(yīng)堆核心會(huì)產(chǎn)生更高的熱量，高溫管理將成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)。
制造中的設(shè)備
