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《能源超限战》连载61:新能源的远水近渴(十四)

2022-11-09 09:45:50 来源:陈思进

(思进注:近日,因俄乌冲突,能源问题几乎每天刷屏,各类分析更是众说纷纭,注意到有些分析是事实的陈述、逻辑自洽;不过,好些判断则可能失之偏颇。恰好在近10年前由我策划,和庞忠甲先生合著的《能源超限战》(2016年06月01日出版)分析了能源问题的方方面面,特别是结论点出:“人与动物的差别不在于对工具的利用,更在于对能源的利用。一直以来,能源危机之说虚虚实实。石油和矿物燃料告罄有日,而新能源尤其是非常规油气资源的发展,却使得当代能源危机成为一个伪命题”……现在看来毫不过时,那就从07月06日开始,特选摘其中部分内容,和大家分享……)

“能源峡谷”云雾缭绕---当代能源危机虚虚实实 (文中“受控核聚变”,也可翻译为“可控核聚变”)


(资料图片)

(接上)自从二十世纪六十年代以来,人类就从科学角度论证了SBSP的可行性,而从太空轨道往地面发射微波的概念也证实是可行的。例如,用一系列太阳能通讯卫星就能够夜以继日地向地面接收站发射各种频率的电磁波,以接通移动电话或把电视信号中转给天台上的碟形天线。可是,能否把从太空上发射来的太阳能转变成可以进入输电网中的电能,则还没有实例。

2010年,美国和日本两国的科研人员已跨越了SBSP技术的一个重要门槛,他们在夏威夷两座相距90英里的海岛上,成功实现了微波级能量的无线远距传输,这个距离相当于从太空轨道传送能量到地面所要穿透的大气层厚度。

近些年来,与SBSP技术有关的其他多种技术也取得了重大进展。大约十年前,光电效率(即光能转换成电能的转换率)只有10%,而现在已经能达到40%。

在空间轨道上设置一个发电站,成本极其高昂,据日本三菱等估计,一座百万千瓦级的太空太阳能电站,需投资210亿美元。技术上还有许多难题有待解决;包括必须充分估计可能对生态环境产生负面影响,如果出现差错,存在烧掉臭氧层的风险;还需考虑怎样免遭小型流星以及其他空间漂浮物的撞击造成的损坏,以及维护管理方面的困难。

美国、日本、欧洲等国都提出计划在2030-2040年建造太空太阳能发电站;现在,中国和俄罗斯也在研究这一课题。

(二)受控核聚变发电

核能是原子核结构发生变化时放出的能量。核能是一种具有独特优越性的动力,因为它不需要空气助燃,所以核能可作为地下、水中和太空缺乏空气环境下的特殊动力;而且核能少耗料、高能量,是一种一次装料后可以长时间供能的特殊动力。核能释放通常有两种方法:

一是重原子分裂成两个或多个较轻原子核,释放巨大能量,称为核裂变能,比如原子弹爆炸;目前已经实现受控用于发电,并作为火箭、宇宙飞船、人造卫星等的特殊动力。如1997年10月15日美国宇航局发射的“卡西尼”号空间探测飞船,飞往土星,行程达35亿公里,都采用了核动力。

因为裂变需要的铀等重金属元素在地球上含量稀少,而且常规裂变反应堆会产生长寿命放射性较强的核废料,这些因素限制了裂变能的发展。

另一种核能形式是目前尚未实现受控应用的聚变能。核聚变是指两个轻原子核在特殊条件下,聚合成一个较重原子核,目前主要指氢的两个同位素氘和氚,生成氦原子核;同时释放巨大能量过程。现在人们只能在氢弹爆炸的一瞬间实现非受控的人工核聚变,若要和平利用核聚变产生的巨大能量为人类服务,就必须合理地控制核聚变的速度和规模,实现持续、平稳的能量输出,这就是“受控核聚变”。

应用核聚变能源优越性主要体现在:

(1)原料氘和氚来源广泛,在地球上储量丰富。海洋中就有氘约45万亿吨,足够人类使用几十亿年。对于人类来说,核聚变能将是一种取之不尽、用之不竭的“长寿能源”。

(2)原料成本低廉,如1公斤氘的价格仅为1公斤浓缩铀的1/40。

(3)反应产物是无放射性污染的氦,不产生放射性,是一种无污染的安全能源。

(4)核聚变原料所释放出的能量比同质量的核裂变原料所释放的能量要大得多。每1升海水中含30毫克氘,而30毫克氘聚变产生的能量相当于300升汽油。

太阳的能量来源于核聚变。人类如果掌握了有序地释放核聚变的能量的技术,建成可控核聚变反应堆,可当之无愧地被称作“人造太阳”。

触发核聚变反应必须具备极高温度(约1亿度)和消耗大量能量,不仅存在难以克服的技术问题,而且人工核聚变产生的能量与触发核聚变的能量要到达一定的比例才能形成经济效应。目前正在研发的主要可控制核聚变方式有:超声波核聚变、激光约束(惯性约束)核聚变、磁约束核聚变(托卡马克)。

受控核聚变技术前景看好,美国、中国和欧盟等许多国家都在进行研究实验;并且开展国际合作,为验证全尺寸可控核聚变技术的可行性而实施一项雄心勃勃的国际“托卡马克”试验(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)计划。2006年11月21日,欧盟、美国、中国、日本、韩国、俄罗斯和印度七个成员正式同意资助创建ITER,设址法国的Cadarache。欧盟承担50%的费用,其余6方分别承担10%,多出的10%用于支付建设过程中由于物价等因素造成的超支。该计划预计将持续30年,包括10年建造,20年运行。 ITER最初预计耗资50亿欧元,但因原材料价格上涨和设计的变化,现已超过三倍达到了160亿欧元。

现在看来受控核聚变的商业化应用,还有很长的路要走。科学家们乐观地估计是,2050年前后,受控核聚变发电将能用于造福人类。

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