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当前,以碳燃料为主造成的全球变暖和缺水两大生态问题正愈演愈劣。联合国报告指出,全球变暖很可能在10~25年之内超出《巴黎协定》将气温升高控制在1.5摄氏度以内的最低目标;全球面临缺水问题的城市人口将翻倍,从2016年的9.3亿增长到2050年的17亿至24亿。气候变暖和缺水问题如何解决?受控热核聚变商用是有效的手段。
煤、石油、天然气等传统能源都来自太阳能及其积累,而太阳靠热核聚变辐射能量。为什么不能应用发达的科学技术像太阳一样产生能量,而不再用太阳能在地球上积累的碳能源呢?受控热核聚变提供了解决思路。与现有的靠核裂变的原子能电站相比,以海水中丰富的氘和氚为原料产生的廉价能量,不但高效,而且无放射性。1克海水即相当于360升汽油。如果可以依靠廉价的可控热核聚变对丰富的海水进行淡化,就能解决缺水问题。
而这一切,近期将成为可能。美国氦核能源公司于今年5月与微软签署了历史上第一份供应核聚变能源的合同,约定微软将在2028年获得至少5万千瓦的电力。氦核能源公司是第一家实现超过1亿摄氏度核聚变的企业,其“北极星”反应堆项目最早将于2024年成为世界首个实现净发电量的聚变发电机。氦核能源公司将发电成本降低至每千瓦时1美分。目前,美国平均发电成本为每千瓦时超过10美分,这样成本主要在耗电的海水淡化将可能大规模实施。
何时商用众说不一
1976年,美国曾做出于2000年以前实现聚变示范电厂联网的计划,并于1980年10月7日将其写入《磁聚变能量工程法》。但计划并未执行,反而不断削减预算。美国于20世纪90年代又把计划修改为2025年建成第一个示范电厂,以后该计划再被搁置,主要都是政治原因。
首先,一项重大科学研究商用的科学预测,应该由从事过这种研究的、一直密切关注至少30年的权威科学家做出,不能由其他领域的“权威”随意地发表说法。科研的历史已证明了这一点。
其次,预期差异的政治原因。一是美国这项研究领先,但由于美国控制了伊拉克和利比亚的石油,及使用了页岩气,已达到控制国际能源目的,因此商用计划被一再推迟。二是设在法国的ITER是一项国际合作计划,由于俄乌冲突使欧盟和英国注意力转移,ITER更难有效工作,所以计划推迟。三是科学研究与技术开发的合作问题。目前国内外科学研究与技术开发合作的层次、规模和密切程度都不如以往。四是多学科综合研究问题。这是一项多学科综合研究,不但包括系统论专家,甚至包括食品专家,而国内外受控热核聚变研究未能做到。五是受控热核反应器需要多种高要求的特殊材料,如强磁场、耐高温和致低温等材料,目前都达不到要求。
研发竞赛白热化
全球核聚变“三强”企业英国托卡马克能源公司、美国麻省理工学院的美国联邦聚变系统公司、加拿大通用聚变公司分别筹集了2.5亿至20亿美元以上的资金,均力争在21世纪30年代初期实现核聚变发电的商业化。
我国也做了有效努力,达到国际水平。2021年12月底,中科院合肥等离子体物理研究所的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)实现电子温度近7000万摄氏度的长脉冲高参数等离子体运行1056秒。2023年4月,EAST再次刷新世界纪录,成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒。
受控热核聚变商用是国家科技、经济与可持续发展的头等大事,要加大战略性投入,建立有力、有效的机构,占领受控热核聚变商用研究的制高点,推动2035年至2040年实现受控热核聚变商用。
(作者系湿地生态修复全国重点实验室筹委会主任、中国雄安集团院士工作站主任)
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