First Light Fusion 于 2021 年 5 月完成了耗資 110 萬(wàn)英鎊的“Big Gun”聚變裝置的安裝，現(xiàn)已成功結(jié)束測(cè)試和調(diào)試階段。Big Gun 是英國(guó)同類(lèi)中最大的，長(zhǎng) 22 米，重 25,000 公斤。First Light Fusion 總部位于牛津，是牛津大學(xué)的附屬機(jī)構(gòu)，擁有專(zhuān)家和研究人員團(tuán)隊(duì)，并與多家學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)合作。

First Light 的技術(shù)基于慣性約束，它的目標(biāo)是通過(guò)在短時(shí)間內(nèi)將聚變?nèi)剂现糜跇O高的壓縮率并利用燃料的慣性保持這些條件足夠長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)觸發(fā)聚變反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生聚變條件。

Light Fusion 的首席運(yùn)營(yíng)官 Gianluca Pisanello 在接受采訪(fǎng)時(shí)表示，聚變正在成為未來(lái)更現(xiàn)實(shí)的清潔基荷電力來(lái)源，并且正在成為整個(gè)論點(diǎn)中更重要的元素。“事實(shí)上，我們還沒(méi)有'市場(chǎng)就緒'的聚變能源解決方案，在此之前，我們?nèi)詫⑹且豁?xiàng)未來(lái)技術(shù)，而風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源正在全球范圍內(nèi)推廣，”他說(shuō)。“人們通常厭惡風(fēng)險(xiǎn)。但是，如果沒(méi)有人承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)并實(shí)現(xiàn)艱巨的目標(biāo)，我們現(xiàn)在就不會(huì)擁有承擔(dān)當(dāng)前脫碳工作的技術(shù)。太陽(yáng)能、風(fēng)能和電池在 20 年前看起來(lái)沒(méi)有機(jī)會(huì)，即使在 10 年前，它們看起來(lái)也無(wú)法在價(jià)格上競(jìng)爭(zhēng)。”

據(jù) Pisanello 稱(chēng)，英國(guó)正在投資尖端能源技術(shù)。政府最近向球形托卡馬克能源生產(chǎn) (STEP) 計(jì)劃承諾了超過(guò) 2 億英鎊，該計(jì)劃旨在到 2040 年建造一座具有商業(yè)可行性的聚變發(fā)電廠(chǎng)。 世界各地還有大量私人投資于清潔能源， 30多家私營(yíng)公司研究各種聚變技術(shù)。

First Light Fusion 的 Gianluca Pisanello

融合技術(shù)

聚變是為太陽(yáng)提供動(dòng)力的過(guò)程。挑戰(zhàn)在于讓它在地球上非常不同的條件下工作。該獎(jiǎng)項(xiàng)是一種安全、清潔和豐富的能源，應(yīng)被視為減緩氣候變化的加速器。“Fusion 在幫助我們實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期碳目標(biāo)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，”P(pán)isanello 說(shuō)。

First Light 的慣性聚變方法旨在通過(guò)使用高速飛行的射彈壓縮目標(biāo)來(lái)創(chuàng)造所需的極端溫度和壓力。“與更常見(jiàn)的磁聚變所需的極其復(fù)雜的機(jī)器（如法國(guó)的 ITER）相比，F(xiàn)irst Light 的設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，”P(pán)isanello 說(shuō)。Pisanello 補(bǔ)充說(shuō)，該公司不打算建造發(fā)電廠(chǎng)，但其技術(shù)允許現(xiàn)有的發(fā)電廠(chǎng)設(shè)計(jì)人員和建造者基于該技術(shù)輕松設(shè)計(jì)和建造電廠(chǎng)。

需要將原子加熱到太陽(yáng)溫度的過(guò)程很難完善，特別是如果原子必須長(zhǎng)時(shí)間保持在該溫度下。First Light 將保持溫度恒定所需的時(shí)間縮短到幾分之一秒。它通過(guò)將燃料導(dǎo)向快速射彈來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。因此，融合過(guò)程在幾分之一秒內(nèi)發(fā)生。First Light 認(rèn)為，通過(guò)采用這種方法，他們將能夠避免聚變反應(yīng)堆建設(shè)中一些最困難的方面。

Fusion 沒(méi)有現(xiàn)有核技術(shù)的三個(gè)主要缺點(diǎn)：沒(méi)有長(zhǎng)壽命廢物、沒(méi)有熔毀風(fēng)險(xiǎn)，以及工廠(chǎng)沒(méi)有武器級(jí)材料。Pisanello 說(shuō)，與常規(guī)核電站中使用的核裂變不同，聚變不是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

“對(duì)于裂變，必須付出很大的努力來(lái)控制反應(yīng)；有了聚變，就沒(méi)有連鎖反應(yīng)可以遏制，如果發(fā)生意外事件，聚變過(guò)程會(huì)自然而然地停止——這意味著像福島這樣的悲劇根本不會(huì)發(fā)生，”皮薩內(nèi)洛說(shuō)。“它是一種近乎無(wú)限的清潔基荷電源，有可能為我們實(shí)現(xiàn)巴黎 2050 年目標(biāo)做出重大貢獻(xiàn)。挑戰(zhàn)——或劣勢(shì)，如果你愿意的話(huà)——是我們還沒(méi)有到那里。正如最近勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家點(diǎn)火設(shè)施 [NIF] 新聞所顯示的那樣，這項(xiàng)技術(shù)正在迅速發(fā)展，這是參與該行業(yè)的一個(gè)非常激動(dòng)人心的時(shí)刻。”

First Light 和 NIF 之間的主要區(qū)別在于如何提供輸入能量以壓縮燃料芯塊并創(chuàng)造聚變條件。NIF 采用多向激光，而 First Light 具有單面影響。

“First Light 選擇了單面撞擊方法來(lái)克服其他聚變技術(shù)的三個(gè)潛在‘阻礙因素’：管理強(qiáng)烈的熱通量、防止中子對(duì)結(jié)構(gòu)材料的損壞以及產(chǎn)生所需的氚燃料，”P(pán)isanello 說(shuō)。“First Light 概念的顯著優(yōu)勢(shì)在于驅(qū)動(dòng)器和聚變能釋放區(qū)域之間的物理分離。此外，這種分離將聚變過(guò)程的物理問(wèn)題與工程問(wèn)題分離，從而允許聚變研究中的更快迭代，并在反應(yīng)容器的設(shè)計(jì)中提供更大的靈活性。”

重火力

Big Gun 補(bǔ)充了 First Light 的 Machine 3 電磁發(fā)射裝置，允許團(tuán)隊(duì)通過(guò)發(fā)射更大但“更慢”的射彈來(lái)探索不同的參數(shù)空間。新槍安裝在一個(gè)專(zhuān)門(mén)建造的 10 毫米鋼包結(jié)構(gòu)中，稱(chēng)為 Citadel。

“我們最近完成了名為 Big Gun 的新實(shí)驗(yàn)裝置的調(diào)試，這是一種 22 米長(zhǎng)的兩級(jí)超高速氣槍?zhuān)盤(pán)isanello 說(shuō)。“新的 38 毫米炮重 25,000 公斤，是英國(guó)同類(lèi)中最大的炮，它發(fā)射 100 克彈丸，最大速度可達(dá) 6.5 公里/秒或 14,500 英里/小時(shí)——是速度的 20 倍。聲音——使用多達(dá) 3 公斤的火藥。”

大炮以超過(guò) 6.5 公里/秒的速度向真空室發(fā)射射彈，撞擊聚變目標(biāo)——First Light 獨(dú)特的聚變方法的核心。借助First Light的放大技術(shù)，聚變?nèi)剂咸s速度將達(dá)到70公里/秒以上，產(chǎn)生30倍地球中心的壓力。目標(biāo)是為融合創(chuàng)造必要的條件。Big Gun 活動(dòng)包括一系列發(fā)射，以展示其慣性約束方法，旨在通過(guò)使用高速飛行的射彈壓縮目標(biāo)內(nèi)的燃料來(lái)創(chuàng)造聚變所需的極端溫度和壓力。

“除了進(jìn)行持續(xù)的實(shí)驗(yàn)來(lái)證明融合之外，我們同時(shí)還在為我們的團(tuán)隊(duì)增加新資源以加速其他核心工作流，”P(pán)isanello 說(shuō)。“這些包括規(guī)劃我們的原型增益規(guī)模實(shí)驗(yàn)和進(jìn)一步的電網(wǎng)規(guī)模反應(yīng)堆開(kāi)發(fā)。此外，我們將牛津總部再擴(kuò)大了 11,000 平方英尺，以容納擴(kuò)大后的科學(xué)家和工程師團(tuán)隊(duì)以及新設(shè)備。”

活力

First Light Fusion 的成立是為了解決全球能源系統(tǒng)脫碳的迫切需要。“然而，在世界的某些地區(qū)，僅靠風(fēng)能和太陽(yáng)能將無(wú)法滿(mǎn)足預(yù)計(jì)的能源需求，”皮薩內(nèi)羅說(shuō)。“因此，我們必須對(duì)現(xiàn)有的可再生能源和新的清潔能源技術(shù)進(jìn)行投資。我們堅(jiān)信清潔能源應(yīng)該相互補(bǔ)充，而不是相互排斥。”

Pisanello 認(rèn)為，在電力需求持平的情況下，可能可以實(shí)現(xiàn)主要基于風(fēng)能和太陽(yáng)能的電力系統(tǒng)脫碳。“如果未來(lái) 20 年電力需求激增，正如預(yù)計(jì)的那樣，特別是在人口和經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)的地區(qū)，那么我們將需要新的清潔發(fā)電來(lái)源，”他說(shuō)。

Pisanello 表示，預(yù)計(jì)到 2040 年全球電力需求將翻一番，到 2060 年，當(dāng)新技術(shù)使更廣泛的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)電氣化時(shí)，全球電力需求可能會(huì)增加五倍。“First Light 委托進(jìn)行的研究得出的結(jié)論是，到 2040 年，全球風(fēng)能和太陽(yáng)能每年可以產(chǎn)生 19,900 TWh，”他補(bǔ)充道。“今天增加了八倍，但仍不到預(yù)計(jì)需求的一半。因此，雖然快速和最大限度地部署可再生能源是實(shí)現(xiàn) 2050 年巴黎目標(biāo)的關(guān)鍵，但在世界某些地區(qū)，僅靠風(fēng)能和太陽(yáng)能將無(wú)法滿(mǎn)足預(yù)計(jì)的能源需求，因此開(kāi)辟了清潔基荷電力市場(chǎng)以補(bǔ)充他們。這就是聚變能將發(fā)揮關(guān)鍵作用的地方。”

審核編輯 黃昊宇