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白春禮談激光核聚變點火:是一個里程碑,但離商業發電還很遠
12月17日,在以“應對發展挑戰,提振復蘇信心”為主題的2023《財經》年會上,中國科學院學部主席團名譽主席、中國科學院院士、中國科技大學名譽校長、中國科學院原院長白春禮表示,核能具有能量密度高、供能穩定、碳排放低的優勢,對于波動性的太陽能和風能發電來說是良好的穩定劑,是實現碳中和戰略目標不可或缺的低碳能源。
“根據測算,2060年核電的總發電量達到2.7萬億度,2021年我國核電發電裝機容量約5000萬千瓦,還有很大的提升空間。”白春禮稱。
核能的利用包括核裂變和核聚變兩種方式。關于核裂變,白春禮表示,主要有以下三個問題需要解決:
第一是安全性。近年來,我國核電技術持續取得進步,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,是全球首個并網發電的第四代高溫氣冷堆核電項目,核安全性能較高,標志著我國成為世界少數幾個掌握第四代核電技術的國家之一。
第二是核燃料的持續穩定供應。我國已經探明的鈾資源約27萬噸,按當前核電水平,已探明鈾資源支持約40年,核燃料的持續穩定供應急需解決。為應對鈾資源短缺問題,中科院設立了“釷基熔鹽堆核能系統(TMSR)”先導專項,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散等優點,還可減少稀土開采中的釷資源流失和放射性環境污染,是核能發展重要方向之一。但這目前還是研究項目,還沒有達到應用程度。
三是乏燃料安全處理處置。當前我國乏燃料已累積近2萬噸,每年新產生約1千噸,主要采用濕式暫存法處理,濕式暫存費約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行重要的科研項目,瞄準解決這個問題。
談及核聚變,白春禮表示,核聚變反應是宇宙中的普遍現象,它是恒星(例如太陽)的能量來源。核聚變能也是能源發展的前沿方向,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境危機困擾。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“國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃”,它是全球規模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一。ITER裝置是一個能產生大規模核聚變反應的超導托克馬克,俗稱“人造太陽”。中國科學家積極參與國際熱核聚變實驗堆(ITER)相關工作,2021年5月,中科院建造的東方超環(EAST)在核聚變研究上取得進展,成功實現可重復的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行,進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。
今年2月,歐洲核聚變研發創新聯盟、國際熱核聚變實驗堆計劃(ITER)等單位聯合宣布,實現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堆,即在歐洲聯合環(JET)中,將氫的同位素氘和氚加熱到了 1.5 億攝氏度并穩定保持了 5 秒鐘,同時核聚變反應發生,原子核融合在了一起,釋放出 59 兆焦耳的能量。有測算稱,這相當于11兆瓦電力,大約能夠為一個普通家庭提供一天的電力。JET是世界上唯一一個能夠實現“氘氚聚變”反應的實驗裝置,保持著核聚變最大能量輸出紀錄。
EAST更偏向于磁約束實驗,并不實現核聚變反應,這是因為在EAST運行過程中,等離子體內只有D核素(氘),沒有T核素(氚)。EAST實驗的意義主要在于研究如何長時間穩定地約束等離子體,以便為我國參與的ITER項目及CFETR提供實驗支持,維持聚變反應、解決材料輻照問題、能量轉換、T滯留問題等都不是它的研究重點。我國自己籌建的中國聚變工程實驗堆(CFETR),以實現聚變能源為目標,將研究走向實用化,可以彌補EAST不能發電等缺點。
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驗室,首次成功在核聚變反應中實現“凈能量增益”,即聚變反應產生的能量大于促發該反應的鐳射能量。實驗向目標輸入了2.05兆焦耳的能量,產生了3.15兆焦耳的聚變能量輸出,能量增益達到153%。3.15兆焦耳的能量相當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火,是一個里程碑式的工作,引起了科學界和社會的廣泛關注。目前激光核聚變具有時間短,發電效率低等特點,科學上具有重要意義,可應用在一些特殊領域,離商業發電還有很長的路要走。此外,2020年,中科院也立項部署了與美國不同技術路徑的激光核聚變研究工作。
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