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核聚变工程困境

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北极星核电网讯:随着世界聚变能源开发研究与商业化的深入推进,聚变能既定目标的实现越发显得渺茫,真正的聚变电站无论是国家还是商业财团都很难负担得起。与裂变电厂相比,聚变电厂无论是理论研究,还是工程建设方面,各项提出了更高的要求。

(来源:微信公众号“嘿嘿能源heypower” ID:heiheinengyuan 作者:heypower)

1、聚变研究与托卡马克装置

聚变能研究的既定目标,是在核聚变理论基础上开发出一种新式电力能源,其原理与太阳等恒星的发热原理相同。

事实证明,这是一项极其困难的任务,因为要实现其中相关的物理学理论极其困难。

20世纪70年代,俄罗斯的托卡马克聚变装置出现,这个装置在制造、容纳极热气体(即等离子体)方面有着巨大的发展前景。

全世界的物理学家都认可托卡马克方法,并在完善托卡马克实验的同时,努力进行相关研究,包括热等离子体中出现的各种现象。最终目标是建造出一个足够大的系统,使托卡马克系统产生的能量超过加热等离子体所需的能量。

在过去的60年里,托卡马克装置研究虽然取得了实质性进展,但其聚变能量的商业化之路却逐渐渺茫。一些人已经认识到托卡马克商业化前景不明朗,但大多数研究人员仍在继续研究和扩充托卡马克装置的规模——同时增加建造的预算规模。

2、以ITER项目为例

中国国际核聚变能源计划执行中心主任罗德隆(一排左一)代表中方与ITER组织总干事Bernard Bigot(一排右一)共同签署了《ITER计划中方增强热负荷型第一壁采购安排协议》

目前,全球范围内有许多大型托卡马克实验装置,这里面规模最大的位于法国,称为ITER项目。

ITER的目标是制造出一种托卡马克等离子体,这种等离子体极热,寿命也很长,产生的能量是加热等离子体的十倍。

ITER最初的设想成本约为50亿美元,作为一个托卡马克聚变电站,这一成本可以说是较为合理。

然而,随着各项建设工程的不断深入,ITER的成本不断攀升。

如今,ITER的管理单位声称,ITER的成本大约是220亿美元。不过,这一说法很难进行验证,因为ITER各项部件分散在世界各地进行生产,实际成本很难估计。

美国能源部估计,ITER的实际成本要高得多,大约650亿美元。美国能源部应支付ITER总成本的9%。

我们计算了一下,即使成本为220亿美元,ITER的发电厂成本也大约是核电厂(核裂变电厂)成本的十倍,而目前在美国,核电厂造价已经被认为过于昂贵,很难进一步推广。

如果ITER成本为650亿美元,基于ITER的发电厂成本将是核发电厂成本的近30倍。

因此,不管怎么计算,ITER显然是一头“白象!”(昂贵的累赘)

但实际情况还可能会更糟。

3、燃料方面的困境

聚变电厂有四种燃料组合可以考虑。最简单的一种——实际操作绝非易事——是氢的两种同位素氘和氚的融合。

自然界中,氘占普通水一小部分,相对较容易提取。因此,氘实际上是一种无限的、非常廉价的燃料。另一方面,氚在自然界中不存在,易发生放射性衰变,需要进行生产。

世界上最大的氚源是加拿大的重水核反应堆,但供应量很难提升,由于全球氚产量非常有限,再加上放射性衰变造成的损失,世界氚的供应十分紧缺。

尤其是最近,人们已经清楚地看到,用于更大规模聚变实验的氚供应有限,以至于供应不足以用于试验,更不用说基于氘-氚燃料循环的商业聚变堆了。

换言之,聚变研究人员实际上正在开发一种聚变概念,而不是试验,因为世界上没有足够的燃料来进行试验!

因此,聚变研究人员开发的聚变概念在经济上很难被接受,光是燃料就十分缺乏。

这种情况听起来有些不可思议。为什么会出现这种情况?答案是,成本上涨发生得很慢,以至于研究人员根本没有注意到。项目经理和参与项目监督的人员也没有注意到。氚供应问题凸显出来,是在研究人员对新托卡马克实验进行了深入研究之后才出现的。

事实上,在过去60多年来,全世界的核聚变工程监督都是由聚变研究人员和支持者进行——不幸的是,在许多政府研发项目中都存在这一现象。

实用的电力工程师,公用事业管理人员,以及其他不属于聚变工程相关团队的成员被排除在聚变项目评估之外。导致项目机构很难适应时代发展要求,很难及时发现新出现的问题。

我们最近建议能源部长任命一个由非聚变工程师和环保人士组成的小组,进行我们认为必要的客观、独立的评估。部长把这个请求交给了核聚变项目的负责人,负责人回答说,聚变项目是由两个相关核聚变小组决定的。这些小组由聚变物理学家和相关研究人员组成。

一旦进行人员变动,就有相当多的人和机构面临失业和失去财政支持的风险,因此,项目会继续找借口维持现状,这其中造成的浪费也十分巨大,包括人才流失和金钱损失。例如,本财政年度美国核聚变研究预算超过6亿美元。

这还不是全部。

4、尾声

ITER聚变实验将使用世界目前存储的大部分放射性氚,也会产生大量的放射性废物,保守估计约为3万吨。

不过,研究人员认为这不是一个问题,因为这些放射性废料的衰变将在大约100年内消失,比裂变堆放射性废物的衰变时间短得多。所以,我们认为这种放射性废物并不可怕。然而,争议依然存在。

还有许多其他的聚变燃料循环,无论是在经济上和环境上,都十分具有吸引力。

这些循环燃料研究已经相当深入,但实现其物理理论却十分困难。除非进行试验,否则我们不知道这些燃料循环到底是否可行。

目前,在全球范围内,政府对这些高燃料循环的支持微不足道。

我们仍然对实用的、可接受的、对环境有吸引力的聚变能源抱有希望。然而,如果没有针对性目标、精干的管理和谨慎、独立的监督,一切都很难实现。

聚变研究过程复杂多变,对于领导者来说,最终实现其目标需要相当大的政治勇气。

(完)

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