能源问题

版权申明：此文转载自杰夫

      最近几天石油价格又开始上扬，引起各方广泛关注。当前石油价格的微小波动都会对世界经济带来巨大影响，可见能源在当今世界的重要性。利用可再生能源替代石油和煤炭等化石能源的研究，已经进行了几十年，但目前化石能源的主导地位并未改变。水能和风能具有一定的不稳定性，太阳能目前成本较高，核裂变电站会产生放射性废料，很难处理。除了这些以外，还有一种目前处于研究阶段的新能源，核聚变（Fusion）能源。

      核聚变可以产生巨大的能量，这一点几十年前氢弹的成功爆炸已经证明。但要用核聚变反应来发电，就需要建设可控的核聚变反应堆。现在国际上最通用的可控核聚变反应装置叫做Tokamak（托卡马克）装置（见题图），它是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器，由前苏联科学家在1950年代发明。

      核聚变的反应温度可以高达上亿度，如此高的温度所有固体都气化了。所以，Tokamak装置是用一个强磁场来约束反应物质的。它的中央是一个像轮胎一样的环形真空室，外面缠绕着多组（超导）线圈，通电后，在中心真空室内形成磁场，将其中进行核聚变反应的等离子体约束住，并使其与外界尽可能地绝热。核聚变反应并不能直接发电，但它可以和核裂变反应一样，利用反应产生的热量把水变成水蒸气，再推动气轮机发电。

      核聚变使用的原料是氢的同位素氘（Deiterium）和氚（Tritium），反应后形成氦气（Helium），并释放能量。核聚变原料充足，氘、氚可从海水中大量提取，它也不产生CO2等温室气体及高放射性核废料（氦气是一种惰性气体），因此，它是未来人类新能源的希望所在。一旦核聚变发电取得成功，就可以解决人类绝大多数的能源需求。

      不过，世上没有免费的午餐， 实现商用核聚变电站还有很长的路要走，还需要巨量的投资。目前世界各国建有多个Tokamak实验装置，像美国的TFTR，欧洲的JET，苏联的T-15，和日本的JT-60。中国也有两个，中科院在合肥有一个，叫做EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak，先进超导托卡马克实验装置），清华大学在北京也有一个，和中科院合建，叫做SUNIST（Sino-UNIted Spherical Tokamak，中国联合球形托卡马克）。

      各国的Tokamak装置都可以进行核聚变反应并释放能量，但也都有一个同样的问题，那就是输出的能量小于输入的能量，是个赔本儿的买卖。目前核聚变反应堆产生能量的最高纪录由位于英国的JET（Joint European Torus）保持（题图是JET内部结构），它的纪录是1600万瓦，持续时间不到1秒钟。要想实现输出能量大于输入，就必须把反应堆再做大，这就需要本文说的ITER登场了。

       ITER在现有技术的基础上，把反应堆的规模放大几倍，目的是要实现能量输出为正，为商用电站的建设做准备。此项目预期将持续30年，10年建设，20年用于操作。 2005年，参加ITER项目的欧盟、美国、中国、日本、韩国、俄罗斯和印度７方签署协议，正式开始ITER的建设。日本和法国在选址问题上争执多年，都想建在自己的一亩三分地，最后法国胜出，ITER将落户于法国南部的卡达拉舍市（Cadarache，在马赛附近，见左图）。 在费用上，欧盟出资50%，其他各国每人出10%（多出的10%备用）。初期的预算是50亿欧元，但这种事儿预算超标是一定的，现在的预算是100亿欧元，预计建成时间是2018年。

      ITER的名字指的是“International Thermonuclear Experimental Reactor”，不过其中的Thermonuclear （热核）一词比较吓人，加上再有一个“Experimental”，胆大的人听了都有点受不了。所以，现在就叫ITER了，号称“ｉｔｅｒ”这个词来源于拉丁文，含义是“journey”，“direction”，“way“，总之都是美好的东东。前面说过，JET可产生1600万瓦能量，持续1秒钟。与之相比较，ITER可产生5亿瓦，持续500秒，同时能量的输出/输入比是10。

      如果ITER试验成功，下一步商用核聚变电站将马上开建，预计2040年建成。一切顺利的话，到时候，人类面临的能源危机，气候变暖等重大问题就会迎刃而解。不过科学研究从来不会一帆风顺，再加上50年，估计本世纪末以前，商用核聚变电站可望成为现实。当然，你我可能看不到那一天了。

 

 

相关评论：

美国不是还有个激光大玩具吗？ 能源问题闹大了，欧美那么多闲人像大宋的民工们忙忙估计就好了。二战不就那么几年，研究了那么多东西出来。
反过来说，中东那帮王子们当然也明白，所以石油价格也不会太离谱。

 

EAST 建在中科院等离子所里面,在合肥科学岛.在合肥待过的同学应该都知道这里. 以前去等离子所玩的时候,能看到放EAST的大房子… 有传闻说等离子所的EAST是苏联人玩不起的东西,于是就给了中国继续玩.真实性有待考证.

 

就现有知识而言，可控聚变似乎是能源问题的终极技术方案，但动辄50年的计划也让人对计划的可行性心存疑虑（2040算第二个50年预言），能源问题更多还是经济学范畴的问题。
聚变技术除了磁约束、惯性约束还有前几年炒过一阵子常温聚变，到底那一种最终胜出，现在还很难说，个人感觉可控聚变的中间产品如超导体应用、大功率激光器可能意义更大。