美国开建世界首座商用核聚变发电厂(图)

核聚变发电厂效果图（美国联邦核聚变系统公司网站） 据美国《新闻周刊》网站12月19日报道，美国麻省理工学院提供技术支持创建的联邦核聚变系统公司（CFS）17日宣布，计划在弗吉尼亚州切斯特菲尔德县建造世界上第一座商用核聚变发电厂。这座ARC（经济、耐用、紧凑型之意）核聚变反应堆工厂将位于詹姆斯河工业园区，旨在彻底改变清洁能源生产。CFS公司首席执行官兼联合创始人鲍勃·马姆加德在一份声明中说：“这是一个历史性时刻。本世纪30年代初，所有人的目光都将聚焦作为商业聚变能源发源地的切斯特菲尔德县。” 预计这座发电厂将生产400兆瓦的电力，足以为大约15万户家庭或大型工业设施供电。 核聚变是将两个较轻的原子核结合形成一个更重的原子核并释放出大量能量的过程。太阳和其他恒星就是靠这个过程获得能量，这一过程发生在一种所谓的等离子体的物质状态中——这是一种与固体、液体和气体不同的高温带电气体。 与分裂像铀等较重的原子核的核裂变不同，核聚变能带来若干好处。 国际原子能机构说，它每单位燃料产生的能量要多得多——每公斤燃料产生的能量是燃烧煤炭的400万倍——而且不会产生衰减时间很长的放射性废料。 聚变的燃料——氘和氚等氢的同位素——丰富，其中氘来自海水，而氚则可能利用锂获得。 聚变天生是安全的，因为反应只在精确条件下才能发生。如果这些条件没有得到满足，反应就会停止，消除了利用核裂变原理的切尔诺贝利这样的核泄漏灾难中出现的失控风险。 尽管大有希望，但聚变需要极高的温度和压力才能克服原子核之间的自然排斥反应，这一挑战花费了数十年的研究才得以解决。 2022年，科学家们实现了一个历史性的里程碑，让聚变产生的能量超过了启动反应所需的能量——这是历经70年取得的成就。然而，重大障碍依然存在。 并未参与该项目的帝国理工学院惯性聚变研究中心研究员布赖恩·阿佩尔比强调了两大障碍：维持聚变过程的稳定，并将由此产生的能量转化为实际应用。 阿佩尔比对《新闻周刊》记者说：“聚变燃料是以等离子体的形式存在的。这是比太阳中心温度更高的一团氢的同位素。问题是，当制造出这么热的东西时，它只想四散分开。” 在恒星中，巨大的引力抵消了这种趋势，将等离子体聚集在一起。阿佩尔比说：“我们在地球上试图做的就是设法控制住少量这种极其炽热的等离子体。” 即使成功控制住它们，利用能源的任务依然艰巨。 阿佩尔比说：“在这些反应堆中，能量以带电粒子和高能中子的形式出现。带电粒子停留在炽热的等离子体中，而出来的是中子。” 中子以极高的速度飞出，因此工程师们必须设法将它们的动能转化为可以用来驱动蒸汽涡轮机的热量。 CFS尚未建造其示范反应堆SPARC，该反应堆定于2027年投入运行。 阿佩尔比认为，SPARC将成为CFS雄心勃勃的目标的关键试金石，这个目标就是在本世纪30年代初之前交付一个商用聚变发电厂。 核能利用了爱因斯坦著名的等式E=mc2，其中能量源自“质量亏损”——核反应前后的质量差异。 在聚变和裂变中，由于光速（等式中的“c”）的平方是一个很大的乘数，所以微小的质量差异会转化为巨大的能量释放。 像ARC这样的聚变反应堆将利用反应中释放的能量将热水转化成蒸汽，推动涡轮机，这一点很像传统的发电厂。然而，关键的挑战在于有效利用反应产生的快速移动的中子，把它们的能量转化为可用的热量。（编译/刘晓燕）