美国首次实现核聚变能源净增益,意义有多大?

美国首次实现核聚变能源净增益,意义有多大?

题图来自Unsplash,基于CC0协议

在核技术领域,美国一直处于全球领先地位。 

如核电站、核动力航母、核潜艇以及核武器等,美国技术均位列世界领先地位。美国是世界上第一个研发出原子弹的国家,也是全球唯一一个在实战中使用过原子弹的国家。

而今,美国又在核聚变技术上,迈出了重要一步。 

据美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室公开宣布,美国在可控核聚变技术上取得重大突破,首次实现了核聚变能源净增益。 

什么意思呢?就是在可控核聚变实验中,美国科学家实现了生产能量比注入能量更多,产生了能源净余值。搞可控核聚变,不再是单方面的持续性能量亏损了,可以实现能源盈余了。

这不只是美国首次在技术上实现,也是人类首次在技术上实现。这是人类走向可控核聚变,实现新能源可持续发展的重要一步。不过,大家也不必过于兴奋。在人类完全掌握可控核聚变全产业链技术之前,这当下的重要一步也不过是核技术漫漫长河中的一小步。 

可控核聚变直接关系到人类和平利用核能的更高阶段,也是人类解决能源短缺问题的重要技术方向。当下,全球所有的核电站都是基于可控核裂变技术而建设。可以说,可控核裂变发电站技术已经相当成熟,掌握第三代可控核裂变发电站的国家已经有法国、美国、俄罗斯、中国、韩国以及日本等六个国家。 

而在可控核聚变领域,人类研究还处于实验室水平,成本极高,收益为零,相关研究全靠国家财政支撑,距离商业化应用还有着很远很远的距离。 

为了率先掌握可控核聚变技术,美国投资巨大。在这个世界上,最顶尖的炫富从来都不是什么豪车名表,也不是什么别墅豪宅,而是投资顶尖前沿科学实验。这才是真正的烧钱项目,随便一台科学仪器都可能是一个普通人工作一辈子也买不起的神器。 

而在可控核聚变技术研发投入上,美国不惜血本。在劳伦斯利弗莫尔国家实验室,为了建设相关实验设施,美国就投入了35亿美元,相当于一艘山东舰。他们用将近200台激光器,组成一个相当于3个足球场那么大的庞大矩阵,用超高能量轰击一个小点,促发核聚变反应。 

据业内知情人士称,单次实验成本就高达100万美元。100万美元买个跑车或者买个豪宅,你至少会拥有固定资产。但100万美元用在可核聚变实验上,只能得到一堆不值钱却无价的数据。 

在最近一次实验中,美国劳伦斯利弗莫尔实验室使用激光器消耗能量2.1兆焦耳,核聚变产生能量2.5兆焦耳,实现能量净增益1.2。也就是说,投入1单位能量消耗,能带来1.2倍的能量总收益了。它带来的最大意义是,能量产出首次超过了能量消耗。

可是,从市场化角度来看,这仍旧是血亏的生意,距离商业化成功还有着十万八千里。这是在实验室条件下的能量增益1.2,如果要实现商业化,它还要增加储能设备,运输设备,技术人员以及固定投资等。在储能和运输两个环节中,还会产生新的能量损耗,这1.2倍的能量增益分分钟就给损耗掉了。 

在实验室里,首次实现能量净增益,不代表首次实现商业化可盈利。距离可控核聚变商业化发电,摆在人类面前的至少还有三道技术障碍: 

一是,可控核聚变反应的执行频率过低。当前,实验室单次可控核聚变实验结束后,要等待数小时后,才能开启第二次,设备和仪器还不能支持短时间、多频次、连续性可控核聚变反应。 

二是,成本过高,收益过低。3.6兆焦耳等于1千瓦时,也就是我们平常说的1度电。用35亿美元建设的实验设备,单次试验成本100万美元,产生2.5兆焦耳,不到0.7度电。这还没算核能转换电能中的能量损耗,堪称世界上成本最高的电。 

按煤电成本4毛/度来计算,100万美元就可以生产出约1750万度电。也就是说,一个可控核聚变发电站起码要做到投入100万美元,生产出1750万度电,才能对煤电形成可替代的成本优势。 

这样的天价电只有试验价值,没有任何商业价值。 

三是,可控核聚变,人类已经解决了从0到1的过程,但从1到100,到10000,直到彻底规模化,商业化,技术上还无法实现。如果不能上规模,就难以实现商业化。 

但可控核聚变技术的发展进度却是惊人的。2014年,美国科学家单次试验才释放14千焦能量。到2022年,美国科学家已经能够释放2.5兆焦的能量,8年时间,放大了近180倍。 

队长预计,以当前的研发进度,到2050年,人类有可能首次建成基于可控核聚变反应堆的新型核电站。

美国劳伦斯利弗莫尔实验室之所以高调宣传自己的研究成果,主要还是想跟美国国会的老爷们伸手要钱,方便批款。核聚变属于微观领域,而航天属于宏观领域。在宏观宇宙科学方面,马斯克都准备向火星进发了,而微观领域的核聚变技术又岂能甘心落后? 

都是美国老百姓的钱,搞航天烧钱,搞核聚变也烧钱。他马斯克可以烧,劳伦斯利弗莫尔实验室为什么不能烧呢? 

对中国而言,美国仍旧在尖端基础科学领域处于领先地位。中国的基础科学起步要比美国慢得多,在工程应用学方面取得的成就更为瞩目。 

但这些年来,我们也一直在奋力追赶。核裂变技术,中国已经追到第三代核电站,基本和美国并肩。可控核聚变领域,留给中美的时间都还很多,队长相信,未来,中国可控核聚变技术也能成为人类福音,为解决世界能源难题添加一道东方之光。

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