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薛偉傑:「夢幻清潔能源」核聚變發電 10年後能商用?

【明報專訊】由於要達到碳中和以及控制全球氣溫升幅等目標,過去數十年一直只聞樓梯響的「夢幻清潔能源」核聚變發電,再度讓人寄予厚望及憧憬。

去年12月1日,專門研究核聚變發電的美國初創公司Commonwealth Fusion Systems(CFS)宣布,已經完成超過18億美元的B輪融資,投資者包括微軟(美:MS)創辦人蓋茨(Bill Gates)、Google、新加坡主權基金淡馬錫(Temasek)、麻省理工學院(MIT)旗下科技孵化器The Engine以及多家私募股權公司。

CFS表示,這筆融資將用於着手建設、調試及營運一個示範性的可控核聚變發電裝置SPARC。這台SPARC將設於美國麻省德文斯市(Devens)一個面積47英畝的園地,預計在2025年就可以建成。

獲18億美元融資 稱2025年建成示範裝置

不過,雖然SPARC可以輸出淨能量,但它仍然是一個示範項目,只是用來驗證核聚變發電的技術和商業可行性。

CFS第一間商業化運作的核聚變發電廠稱為ARC,它預計要到2030年代初才能建成。但事實上,這個目標已比大多數科學家預測的20年至30年後早得多。內地科學家就普遍預期,要到2050年,內地才可以基本實現可控核聚變發電的商業化。

關於SPARC和ARC的具體設計,CFS未有透露詳情。但CFS強調,公司與麻省理工學院合作,利用後者過去數十年的研究成果,結合嶄新的高溫超導磁鐵技術,可以令核聚變發電裝置的體積緊湊得多、建造時間較短以及成本較低。

究竟核聚變發電為何這麼困難,以致世界各國過去不斷跳票?這要由基本原理說起。

核聚變是指兩個質量較小的原子,在極高溫的情形下互相碰撞,繼而結合成一個質量較重的原子。當中最常用的,就是讓氫的同位素氘和氚的原子結合,來產生氦的同位素的原子。

這種反應之所以要在極高溫的情形下進行,是因為兩個原子的原子核都帶有正電荷,兩者會互相排斥,必須倚靠外部施加巨大的能量,才能夠令兩者結合。

與目前核能發電採用的核裂變技術相比,核聚變不但不會如核裂變般產生長期和高水平的核輻射和核廢料,不會污染環境,而且產生的能量更大。有估計稱,若發電功率同樣是100萬千瓦,燃煤發電廠每年要消耗210萬噸煤;核裂變發電廠每年要消耗30噸核燃料;而核聚變發電廠每年就只消耗600公斤的核燃料。

核聚變反應堆極高溫 靠超強磁場控制

可是,核聚變反應堆的核心溫度高達1.5億度,在這樣的高溫下,任何容器都會灰飛煙滅。於是,如何將那些參與反應的超高溫等離子體安全地隔開,避免它們接觸容器的內壁,就成為可控核聚變的一大難題。

不得不承認,前蘇聯科學家確實「有料到」。他們早在1950年代初就想出,利用極強的磁場來作為分隔手段。這就是「托卡馬克」(Tokamak)。

「托卡馬克」是一種環形裝置,它通過約束電磁波來驅動,倚靠環形線圈產生的強磁場,將超高溫的等離子狀態的核聚變物質約束在環形容器中間(避免它們接觸容器的內壁),以此來實現核聚變反應的控制。「托卡馬克」最初是由前蘇聯莫斯科庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等人在1954年發明。直至現時,世界各國的可控核聚變裝置,普遍仍是遵從「托卡馬克」的基本設計。

可是,要維持強大磁場所消耗的能量,往往已超過了核聚變反應所輸出的能量。這就是核聚變發電遲遲無法商業化的其中一個主因。

因此,由20多年前起,各國嘗試使用超導材料來產生強磁場,以減低消耗的電力,希望令可控核聚變裝置能夠輸出淨能量。但至今,也只有個別示範裝置做到這個效果,而且輸出的淨能量也微不足道。

據報道,CFS的突破之處,是它發明了一種新超導材料——一種塗有釔鋇銅氧的鋼材料。這種材料可以在較低能耗下維持超強磁場。因此,公司有信心在2025年建成可以輸出淨能量的示範性可控核聚變發電裝置SPARC。

筆者認為,觀乎麻省理工願意與CFS合作,相信CSF聲稱的突破性超導材料不至於完全造假。然而,部分科學家對於未來技術進步的幅度,確實估計得太過樂觀,星際旅行、移民和開發如是,核聚變發電恐怕亦如是。

以CFS宣稱的進度,2025年就要建成SPARC,最多就只有4年時間(由2021年12月至2025年12月);之後又要在2030年代初建成第一間商業化運作的核聚變發電廠ARC,相隔只有大約5至7年。單看這兩個時間,就算是興建一般核裂變發電廠,也有些緊張,更何况是複雜得多的核聚變發電廠?

此外,18億美元並不足夠完成SPARC和ARC。即使未來再融資沒有問題,在建成SPARC之後,CFS也可能需要一些時間來總結經驗,對其設計方案作出改良,才可以開工建設ARC吧?

明報記者 薛偉傑

[薛偉傑 科技觀潮]

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