3.核聚变能小型化或是人类未来能源利用的终极目标

核聚变能一直被视作人类彻底解决能源需求的终极模式。与核裂变能相比, 核聚变能是取之不尽、用之不竭、极度清洁的绿色能源。如果地球海水中的氘全部用于聚变反应,释放出的能量足够人类使用几百亿年,且不产生长半衰期的高放射性核废料及二氧化碳等燃烧产物。因此, 实现可控核聚变能的利用, 从根本上解决能源问题, 已成为全人类共同面临的机遇和挑战。

目前, 可控核聚变技术仍处于反应堆工程物理实验阶段, 潜在两种实现途径是磁约束和惯性约束。磁约束主要包括托卡马克型(Tokamak)、反场箍缩型、仿星器型等类型, 其中托卡马克型在等离子体稳定性、能量约束时间及电子温度等参数方面具有显著优势, 是最重要、最有前景的磁约束位形[61~63]。  2006年在法国启动的国际热核聚变实验堆(ITER)计划正是基于托卡马克型磁约束方式, 至今共有35个国家参加。该计划将全面验证核聚变能源开发利用在科学和工程上的可行性, 是人类可控核聚变研究走向实用的关键一步[63], 最初预计耗资约50亿欧元、2016 年首次点火; 但因工程复杂,  耗资预计将超250亿欧元, 点火时间至少推迟到2025年,  全面核聚变实验至少在2035年才有可能开展。

欧盟作为ITER的主导, 引领着全球可控核聚变研究, 在ITER建造同时, 持续资助中型Tokamak等离子体物理、材料、工程方面的研究;还在筹划稳态聚变示范电站(DEMO)的设计与建造, 计划2044年开始发电, 2050年实现可控核聚变发电的商业化。美国同时重视磁约束及惯性约束两种方式,目标是30年后建成DEMO,目前已利用192束高能激光聚焦到氢燃料球上点燃核聚变反应,取得了输出能量超过输入能量的重要突破。中国在可控核聚变领域投入仅次于美国, EAST装置在2017年7月获得101。2s的稳态高约束等离子体放电;正在设计建造中国聚变工程实验堆(CFETR),预计2040年建成DEMO,2050年左右实现商业化。此外, 俄罗斯、日本、韩国、印度等国家也非常重视可控核聚变研究,均参与到ITER计划中, 并分别提出了2030~2040年前后建成本国的DEMO。世界各国在可控核聚变领域的相互合作与竞争,必将进一步推动可控核聚变技术的开发利用。

实现可控核聚变,是人类有效利用核聚变能的第一步, 而实现可控核聚变的小型化, 将是人类最终追求的清洁能源利用方式。从现阶段看, 球形托卡马克型因其具有更小体积和更低成本特点,被视为可控核聚变小型化最有潜力的途径[80]。美国和英国都在实验室开展了球形托卡马克型装置研究,验证了小型反应堆具有技术可行性。2016年, 美国发布了紧核聚变反应堆(ARC)设计方案, 体积只有ITER的一半。2017年, 英国宣布小型Tokamak ST40成功产生1500万度等离子体,预计2030年左右有望突破核聚变发电技术。

短期看, 核聚变实现商业化还存在诸多挑战, 但长远看核聚变技术有很大实现突破的可能性, 将会为全球带来源源不断的绿色能源供应。根据各国的DEMO计划和技术发展趋势, 预计2050~2060年前后可控核聚变技术有望实现商业化。届时,  核聚变电力的充足供应将彻底改变全球现有的能源格局, 石油、煤炭、天然气等化石能源将由燃料为主转向材料为主, 水电、风电、光伏等可再生能源也会沦为补充能源。而可控核聚变一旦实现小型化, 大型海上、陆上、空间运输工具将得以长距离、高功率推动, 新型运输工具将得以研发, 物流成本也将极大降低,  高效快速的物联网将真正进入新时代。同时,  人类不再受限于太阳能电池板发电, 将有更高效的能量去实现空间探索与开发, 远距离星球及外太空探索计划不再是梦想, 人类将有机会获得更多的知识和资源。

结语

社会文明进步、科技水平提升以及人类对生态环境的关注合力推动能源技术以前所未有的速度加快发展, 能源技术与材料创新将进入高度活跃期, 人类利用能源或将迎来第三次重大转型, 即油气时代走向新能源时代。引起这场能源转型的主角, 近中期可能以先进储能技术商业化应用带动电动汽车快速发展为标志, 利用储能技术积极消纳间歇式风电、光电等可再生能源, 有望在2030年前后实现能源利用由低碳化向清洁化的转型; 中长期可能以氢能的储存和规模应用带动氢燃料电池汽车的普及应用为标志, 大规模消纳可再生能源, 并支撑电网和气网互联互通, 有望在2050年前后实现能源利用的高度清洁化; 超长期看可能以小型核聚变能的商业化应用和普及为标志, 为人类社会发展提供不竭动力, 或将在2060年前后实现能源利用的绿能化。

这样的变革将对世界能源格局和经济社会发展产生深远影响, 石油在交通运输方面的消费需求可能被大规模替代, 最终去向将从以交通燃料为主, 转向以生产多类高附加值材料为主。例如轻质高强度的载具毂体、高级化工合成产品、功能塑料制品、碳纤维制品、保鲜制品以及3D打印材料等, 甚至可以加工成为储能电池碳电极、生物电池等低碳清洁能源的制造原料。

上述三种低碳清洁能源技术在同步发展的进程中还存在联合应用的可能性, 将对人类能源利用方式和节奏产生更大冲击。设想一下, 未来中国利用西部地区太阳辐射强、日照时间长、分布范围广的优势进行太阳能发电, 然后通过大型储能设备将剩余电能储存并接入智能电网输送至东部沿海地区。在满足东部发达地区电力需求的同时,可以电解海水制备大量的氢。再通过化学储氢和氢燃料电池的结合, 实现氢燃料汽车对传统燃料汽车的大规模替代, 从根本上解决电力低碳清洁生产难题,大幅降低全生命周期交通运输工具的污染物与碳排放问题。也许, 这将成为我们实现绿色中国梦的重要途径。

人类能源利用转型是一个长期渐进的过程, 全球能源结构发生整体变革还需要一段时间。电动汽车、氢燃料汽车以及小型核聚变装置发展仍面临关键材料及技术尚未完全突破、生产成本过高、配套设施短缺、安全可靠性有待提高等诸多挑战。 然而, 能源领域新技术、新材料发展速度很快, 世界各国, 特别是以经济合作与发展组织(OECD)国家为主体的经济发达国家和地区对环境问题的高度关注, 驱使能源领域新一轮革命很可能会提前到来。可见, 前沙特石油部长的至理名言不能不说是对石油行业善意的提示和睿智的预警。虽然替代石油的三种路径还存在科技瓶颈、政策局限、经济波动等不确定性,但低碳清洁能源竞争发展态势已呼之欲出,对石油替代已逐渐显现, 能源结构转型已势在必行。

（本文摘自：《科学通报》第62卷 第36期）