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(yīng),釋放出的能量足夠人類使用幾百億年,且不產(chǎn)生長半衰期的高放射性核廢料及二氧化碳等燃燒產(chǎn)物。因此, 實現(xiàn)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(zhàn)。

目前, 可控核聚變技術(shù)仍處于反應(yīng)堆工程物理實驗階段, 潛在兩種實現(xiàn)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(wěn)定性、能量約束時間及電子溫度等參數(shù)方面具有顯著優(yōu)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(fā)利用在科學(xué)和工程上的可行性, 是人類可控核聚變研究走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵一步[63], 最初預(yù)計耗資約50億歐元、2016 年首次點火; 但因工程復(fù)雜,  耗資預(yù)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(dǎo), 引領(lǐng)著全球可控核聚變研究, 在ITER建造同時, 持續(xù)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(wěn)態(tài)聚變示范電站(DEMO)的設(shè)計與建造, 計劃2044年開始發(fā)電, 2050年實現(xiàn)可控核聚變發(fā)電的商業(yè)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(yīng),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(lǐng)域投入僅次于美國, EAST裝置在2017年7月獲得101。2s的穩(wěn)態(tài)高約束等離子體放電;正在設(shè)計建造中國聚變工程實驗堆(CFETR),預(yù)計2040年建成DEMO,2050年左右實現(xiàn)商業(yè)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(lǐng)域的相互合作與競爭,必將進一步推動可控核聚變技術(shù)的開發(fā)利用。

實現(xiàn)可控核聚變,是人類有效利用核聚變能的第一步, 而實現(xiàn)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(xiàn)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(yīng)堆具有技術(shù)可行性。2016年, 美國發(fā)布了緊核聚變反應(yīng)堆(ARC)設(shè)計方案, 體積只有ITER的一半。2017年, 英國宣布小型Tokamak ST40成功產(chǎn)生1500萬度等離子體,預(yù)計2030年左右有望突破核聚變發(fā)電技術(shù)。

短期看, 核聚變實現(xiàn)商業(yè)化還存在諸多挑戰(zhàn), 但長遠看核聚變技術(shù)有很大實現(xiàn)突破的可能性, 將會為全球帶來源源不斷的綠色能源供應(yīng)。根據(jù)各國的DEMO計劃和技術(shù)發(fā)展趨勢, 預(yù)計2050~2060年前后可控核聚變技術(shù)有望實現(xiàn)商業(yè)化。屆時,  核聚變電力的充足供應(yīng)將徹底改變?nèi)�球現(xiàn)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(zhuǎn)向材料為主, 水電、風(fēng)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(xiàn)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(fā), 物流成本也將極大降低,  高效快速的物聯(lián)網(wǎng)將真正進入新時代。同時,  人類不再受限于太陽能電池板發(fā)電, 將有更高效的能量去實現(xiàn)空間探索與開發(fā), 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(jié)語

社會文明進步、科技水平提升以及人類對生態(tài)環(huán)境的關(guān)注合力推動能源技術(shù)以前所未有的速度加快發(fā)展, 能源技術(shù)與材料創(chuàng)新將進入高度活躍期, 人類利用能源或?qū)⒂瓉淼谌�次重大轉(zhuǎn)型, 即油氣時代走向新能源時代。引起這場能源轉(zhuǎn)型的主角, 近中期可能以先進儲能技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用帶動電動汽車快速發(fā)展為標志, 利用儲能技術(shù)積極消納間歇式風(fēng)電、光電等可再生能源, 有望在2030年前后實現(xiàn)能源利用由低碳化向清潔化的轉(zhuǎn)型; 中長期可能以氫能的儲存和規(guī)模應(yīng)用帶動氫燃料電池汽車的普及應(yīng)用為標志, 大規(guī)模消納可再生能源, 并支撐電網(wǎng)和氣網(wǎng)互聯(lián)互通, 有望在2050年前后實現(xiàn)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(yè)化應(yīng)用和普及為標志, 為人類社會發(fā)展提供不竭動力, 或?qū)⒃?060年前后實現(xiàn)能源利用的綠能化。

這樣的變革將對世界能源格局和經(jīng)濟社會發(fā)展產(chǎn)生深遠影響, 石油在交通運輸方面的消費需求可能被大規(guī)模替代, 最終去向?qū)�從以交通燃料為�? 轉(zhuǎn)向以生產(chǎn)多類高附加值材料為主。例如輕質(zhì)高強度的載具轂體、高級化工合成產(chǎn)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(shù)在同步發(fā)展的進程中還存在聯(lián)合應(yīng)用的可能性, 將對人類能源利用方式和節(jié)奏產(chǎn)生更大沖擊。設(shè)想一下, 未來中國利用西部地區(qū)太陽輻射強、日照時間長、分布范圍廣的優(yōu)勢進行太陽能發(fā)電, 然后通過大型儲能設(shè)備將剩余電能儲存并接入智能電網(wǎng)輸送至東部沿海地區(qū)。在滿足東部發(fā)達地區(qū)電力需求的同時,可以電解海水制備大量的氫。再通過化學(xué)儲氫和氫燃料電池的結(jié)合, 實現(xiàn)氫燃料汽車對傳統(tǒng)燃料汽車的大規(guī)模替代, 從根本上解決電力低碳清潔生產(chǎn)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(xiàn)綠色中國夢的重要途徑。

人類能源利用轉(zhuǎn)型是一個長期漸進的過程, 全球能源結(jié)構(gòu)發(fā)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(fā)展仍面臨關(guān)鍵材料及技術(shù)尚未完全突破、生產(chǎn)成本過高、配套設(shè)施短缺、安全可靠性有待提高等諸多挑戰(zhàn)。 然而, 能源領(lǐng)域新技術(shù)、新材料發(fā)展速度很快, 世界各國, 特別是以經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD)國家為主體的經(jīng)濟發(fā)達國家和地區(qū)對環(huán)境問題的高度關(guān)注, 驅(qū)使能源領(lǐng)域新一輪革命很可能會提前到來�？梢�, 前沙特石油部長的至理名言不能不說是對石油行業(yè)善意的提示和睿智的預(yù)警。雖然替代石油的三種路徑還存在科技瓶頸、政策局限、經(jīng)濟波動等不確定性,但低碳清潔能源競爭發(fā)展態(tài)勢已呼之欲出,對石油替代已逐漸顯現(xiàn), 能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型已勢在必行。

（本文摘自：《科學(xué)通報》第62卷 第36期）