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白春禮談激光核聚變點(diǎn)火:是一個(gè)里程碑,但離商業(yè)發(fā)電還很遠(yuǎn)

澎湃新聞記者?周頔
2022-12-17 10:32
來源:澎湃新聞
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12月17日,在以“應(yīng)對發(fā)展挑戰(zhàn),提振復(fù)蘇信心”為主題的2023《財(cái)經(jīng)》年會上,中國科學(xué)院學(xué)部主席團(tuán)名譽(yù)主席、中國科學(xué)院院士、中國科技大學(xué)名譽(yù)校長、中國科學(xué)院原院長白春禮表示,核能具有能量密度高、供能穩(wěn)定、碳排放低的優(yōu)勢,對于波動性的太陽能和風(fēng)能發(fā)電來說是良好的穩(wěn)定劑,是實(shí)現(xiàn)碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)不可或缺的低碳能源。

“根據(jù)測算,2060年核電的總發(fā)電量達(dá)到2.7萬億度,2021年我國核電發(fā)電裝機(jī)容量約5000萬千瓦,還有很大的提升空間?!卑状憾Y稱。

核能的利用包括核裂變和核聚變兩種方式。關(guān)于核裂變,白春禮表示,主要有以下三個(gè)問題需要解決:

第一是安全性。近年來,我國核電技術(shù)持續(xù)取得進(jìn)步,2021年12月,山東榮成石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程送電成功,是全球首個(gè)并網(wǎng)發(fā)電的第四代高溫氣冷堆核電項(xiàng)目,核安全性能較高,標(biāo)志著我國成為世界少數(shù)幾個(gè)掌握第四代核電技術(shù)的國家之一。

第二是核燃料的持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)。我國已經(jīng)探明的鈾資源約27萬噸,按當(dāng)前核電水平,已探明鈾資源支持約40年,核燃料的持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)急需解決。為應(yīng)對鈾資源短缺問題,中科院設(shè)立了“釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)(TMSR)”先導(dǎo)專項(xiàng),以釷為核燃料具有資源豐富、核廢料少、毒性低和固有防核擴(kuò)散等優(yōu)點(diǎn),還可減少稀土開采中的釷資源流失和放射性環(huán)境污染,是核能發(fā)展重要方向之一。但這目前還是研究項(xiàng)目,還沒有達(dá)到應(yīng)用程度。

三是乏燃料安全處理處置。當(dāng)前我國乏燃料已累積近2萬噸,每年新產(chǎn)生約1千噸,主要采用濕式暫存法處理,濕式暫存費(fèi)約4萬元/噸/年,乏燃料安全處理處置急需解決。對于核乏燃料的安全處理,中科院目前也正在進(jìn)行重要的科研項(xiàng)目,瞄準(zhǔn)解決這個(gè)問題。

談及核聚變,白春禮表示,核聚變反應(yīng)是宇宙中的普遍現(xiàn)象,它是恒星(例如太陽)的能量來源。核聚變能也是能源發(fā)展的前沿方向,被視為未來社會的“終極能源”。如果人類可以掌控這種能量,就能擺脫目前地球的能源與環(huán)境危機(jī)困擾。到目前為止,人類對受控核聚變的研究主要分為兩類:

一類是磁約束核聚變,如“國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃”,它是全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國際科研合作項(xiàng)目之一。ITER裝置是一個(gè)能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的超導(dǎo)托克馬克,俗稱“人造太陽”。中國科學(xué)家積極參與國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)相關(guān)工作,2021年5月,中科院建造的東方超環(huán)(EAST)在核聚變研究上取得進(jìn)展,成功實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運(yùn)行,進(jìn)一步證明核聚變能源的可行性,也為邁向商用奠定了物理和工程基礎(chǔ)。

今年2月,歐洲核聚變研發(fā)創(chuàng)新聯(lián)盟、國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃(ITER)等單位聯(lián)合宣布,實(shí)現(xiàn)了受控核聚變能量的新記錄,在目前世界上最大的聚變反應(yīng)堆,即在歐洲聯(lián)合環(huán)(JET)中,將氫的同位素氘和氚加熱到了 1.5 億攝氏度并穩(wěn)定保持了 5 秒鐘,同時(shí)核聚變反應(yīng)發(fā)生,原子核融合在了一起,釋放出 59 兆焦耳的能量。有測算稱,這相當(dāng)于11兆瓦電力,大約能夠?yàn)橐粋€(gè)普通家庭提供一天的電力。JET是世界上唯一一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)“氘氚聚變”反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置,保持著核聚變最大能量輸出紀(jì)錄。

EAST更偏向于磁約束實(shí)驗(yàn),并不實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng),這是因?yàn)樵贓AST運(yùn)行過程中,等離子體內(nèi)只有D核素(氘),沒有T核素(氚)。EAST實(shí)驗(yàn)的意義主要在于研究如何長時(shí)間穩(wěn)定地約束等離子體,以便為我國參與的ITER項(xiàng)目及CFETR提供實(shí)驗(yàn)支持,維持聚變反應(yīng)、解決材料輻照問題、能量轉(zhuǎn)換、T滯留問題等都不是它的研究重點(diǎn)。我國自己籌建的中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆(CFETR),以實(shí)現(xiàn)聚變能源為目標(biāo),將研究走向?qū)嵱没梢詮浹a(bǔ)EAST不能發(fā)電等缺點(diǎn)。

另一類是激光核聚變。就在12月13日,美國能源部官員宣布,加州勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室,首次成功在核聚變反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)“凈能量增益”,即聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量大于促發(fā)該反應(yīng)的鐳射能量。實(shí)驗(yàn)向目標(biāo)輸入了2.05兆焦耳的能量,產(chǎn)生了3.15兆焦耳的聚變能量輸出,能量增益達(dá)到153%。3.15兆焦耳的能量相當(dāng)于二兩炸藥的爆炸威力。

白春禮表示,這是世界上首次激光核聚變點(diǎn)火,是一個(gè)里程碑式的工作,引起了科學(xué)界和社會的廣泛關(guān)注。目前激光核聚變具有時(shí)間短,發(fā)電效率低等特點(diǎn),科學(xué)上具有重要意義,可應(yīng)用在一些特殊領(lǐng)域,離商業(yè)發(fā)電還有很長的路要走。此外,2020年,中科院也立項(xiàng)部署了與美國不同技術(shù)路徑的激光核聚變研究工作。
    責(zé)任編輯:周頔
    圖片編輯:張同澤
    校對:張亮亮
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