考虑到聚变能源的明显优势以及为实现这些优势而付出的巨大努力,为什么聚变研究至今没有产生更好的结果?

美国物理学会副执行官巴雷特·H·里平(Barrett H. Ripin)对此作出了如下答复:

“实际上,近年来聚变研究取得了显著进展。其科学可行性已毋庸置疑:在普林斯顿近20年的托卡马克聚变试验反应堆(TFTR)中,已经用实际的聚变燃料证明了接近盈亏平衡的状态(即产生的聚变功率等于维持等离子体所消耗的功率)。最近发现的显著改进的运行模式可能构成实用能源反应堆的基础。另一种称为惯性约束聚变的方法也取得了实质性进展。惯性约束聚变有望在本世纪之交展示出优于盈亏平衡的增益。这一进展的关键在于对等离子体和聚变科学的科学基础的理解的进步。在此过程中,已经出现了价值数十亿美元的等离子体应用。”

“现在的问题是:聚变能源会变得实用且经济可行吗?社会是否愿意进行必要的投资,以找出答案是否为肯定的?”


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“当聚变研究在30年前认真开始时,人们根本没有意识到等离子体科学的复杂性和微妙之处,以及需要掌握的使受控聚变起作用的深入理解。科学家们还大大低估了工程要求和限制,这既是由于幼稚,也是由于未知的科学障碍。很自然地,当人们越来越接近实用能源的目标时,下一步所花费的时间就越长。随着人们接近商业上可行的聚变反应堆,实验装置变得更大且更昂贵。”

“继续进行聚变开发是否值得?如果科学家得出结论,燃烧化石燃料正在导致不可接受的全球气候变化,那么我们只有有限的几种替代方案可供选择:基于太阳能的资源(光伏、海洋、风能等)、核裂变和聚变。基于太阳能的资源将在某些领域越来越重要,但无法满足人类的大量电力需求,尤其是当世界各地的生活水平继续提高时。核裂变可以填补这一空白,但它有众所周知的缺点。”

“因此,问题真正变成了:我们是否能承担不起不积极追求聚变的风险?如今,一座新的发电厂的成本在10亿到100亿美元之间;新一代发电厂的总成本约为10万亿美元!每年投入约10亿美元的聚变研究资金,甚至再投入50年,这算不算一个合理的赌注?对我来说,是的。”

加州大学圣地亚哥分校工程学院聚变副主任、国际热核实验堆(ITER)美国主队负责人查尔斯·C·贝克(Charles C. Baker)补充了他的观点:

“感谢您给我机会回答这个问题。首先,让我声明我不同意这个问题的前提。磁约束聚变研究已经取得了出色的成果。在过去的15年中,美国和其他国家的研究使实验中产生的聚变功率水平提高了10,000,000倍,我们现在已经在普林斯顿的托卡马克聚变试验反应堆上实现了10兆瓦的聚变功率的产生。(托卡马克是一种磁性甜甜圈,已被证明是约束实现聚变所需的极热等离子体的一种特别稳定的方法。)这一巨大的进步是通过美国、欧洲和日本在1970年代对一种新的、更强大的托卡马克实验的投资实现的。”

“下一个功率反应堆性能水平的步骤(在等离子体能够点火和等离子体‘燃烧’(其中大部分加热能量来自聚变反应)),再次需要一种新的、更强大的实验装置。美国在1980年代试图进行下一步的燃烧等离子体实验,但未能获得国会拨款。美国、欧洲、日本和俄罗斯现在正在合作进行名为国际热核实验堆的项目的设计和研发工作。ITER旨在实现等离子体点火和长脉冲燃烧。它还将演示聚变发电厂核心所需的技术以及从装置中提取能量所需的系统。这项为期六年的合作,称为工程设计活动,于1992年开始,目前正在就该装置的成本分摊和国际建设进行探索性讨论。所有各方都需要这样的工程试验堆,以便在实用聚变能源方面取得进展,因此为这一步骤分摊成本对双方都有利。”

“来自世界各地各种托卡马克的综合结果产生了一系列令人印象深刻的成就。中性束和各种射频加热方法可以为产生高温等离子体提供数十兆瓦的加热功率。实验装置已经产生高达45,000电子伏特的离子温度和大约1020个粒子/立方米的密度,足以用于聚变反应堆。衡量物理性能的一个重要指标是峰值离子密度、等离子体能量约束时间和峰值离子温度的“三重乘积”。点燃的氘氚反应堆需要7 x 1024电子伏特-秒/立方米的三重乘积值。日本的大型托卡马克JT-60U已经实现了1.3 x 1024电子伏特-秒/立方米的三重乘积。”

“ITER的标称聚变功率为1,500兆瓦;它代表了全尺寸聚变发电反应堆的框架,尽管它不是为发电而设计的。对目前托卡马克知识的推断表明,商业聚变反应堆将相当大且昂贵。幸运的是,正在进行的研究计划正在揭示大幅提高托卡马克反应堆性能的方法。这些有希望的新方向包括更高的聚变功率密度,从而减小反应堆尺寸;在等离子体中开发“输运障碍”,从而改善能量约束并减小尺寸;允许稳态运行和低再循环功率的自驱动等离子体电流;以及开发先进的偏滤器概念,以便在较长的反应堆寿命内提供粒子控制和散热。”

“聚变计划的进展速度与投入的资源水平是一致的。实际资金远低于1970年代和1980年代制定的详细计划中的预期。目前美国(1996财年为2.44亿美元)的资金水平不足以跟上早期计划的步伐。结果,美国不幸地将其在磁聚变方面的传统领导地位让给了欧洲和日本。”

“1996年8月,美国能源部发布了《美国重组聚变能源科学计划战略计划》。该国之前的战略是一个时间驱动的开发计划,旨在证明聚变是一种在技术和经济上可信的能源,目标是在2025年左右建成一个运行的示范发电厂。然而,在预算严重受限的情况下,该战略变得非常不现实。为了尽可能接近以目标为导向的时间表,聚变计划几乎将其所有可用资源都集中在了托卡马克概念上,几乎取消了对替代方法和基础等离子体科学的支持。尽管取得了令人瞩目的科学进展,该计划仍然获得不足的资源。”

“新战略强调国际合作,旨在推进开发经济和环境上具有吸引力的聚变能源所需的科学知识基础。为了成为这一长期追求中可靠的合作伙伴,美国需要在聚变科学和技术方面拥有强大的国内计划。在资金水平不变的情况下,重组后的美国计划将能够专注于聚变的基础科学基础,并将使该国能够作为国际聚变能源开发工作的一部分,在选定的专业领域中发挥领导作用。”

“重组后的美国计划将努力在国际聚变计划中保持可靠的合作伙伴地位,该计划既包括ITER,也包括聚变科学和技术各个领域的许多小型项目。鉴于创建燃烧物理实验的预计成本很高,并且鉴于美国现在仅资助全球研究工作的六分之一左右,基于国际合作进行聚变能源研究和开发的战略可能具有很高的成本效益。”

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