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美国顶尖聚变科学家呼吁美国在2040年前建立一个聚变试验厂

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  目前对核聚变的主要批评是,它作为商业能源的巨大潜力一直遥不可及。但是一群美国顶尖的聚变科学家和研究人员,刚刚向能源部发布了一份报告,呼吁美国在2040年前建立一个聚变试验厂。这份80页的报告由聚变能源科学咨询委员会撰写,历时两年。担任委员会联合主席的韦恩·所罗门(Wayne Solomon)表示:“真正强烈地感受到,聚变能源科学应该真正转向现实能源任务,而实现这一任务的关键是在21世纪40年代开发和运营聚变试验厂。"该报告为美国寻求发展核聚变作为一种几乎无限的无碳能源提供了一条战略道路。

  核聚变不同于核裂变,后者已广泛用于商业核电站。核裂变使原子核分裂产生能量,而核聚变使氢原子碰撞并聚变成氦原子,氦原子释放出巨大的能量——本质上释放出的能量相当于为恒星提供能量。核聚变技术在20世纪50年代的氢弹开发中发挥了关键作用。几十年来,作为一种潜在能源,核聚变的和平商业应用一直吸引着科学家。虽然核裂变工厂的经营者必须处理遗留下来的放射性乏燃料或废物,但核聚变过程中所含的大多数放射性同位素的半衰期都低于10年,而核聚变反应堆中激活的组件的半衰期也低到足以在100年内回收或再利用。当核聚变过程中发生任何扰动时,等离子体在几秒钟内就会冷却,反应就会停止,从而避免了像福岛核电站那样发生熔毁或事故的风险。

  但目前还没有商业化的聚变反应堆。事实上,核聚变发电在实验室中只能产生很短的时间,这导致了怀疑者们多年来的一种扭曲的观察结果,即核聚变作为一种电力来源永远需要30年的时间。

  2018年,美国能源部(Department of Energy)呼吁聚变能源科学咨询委员会(Fusion Energy Sciences Advisory Committee)提出一项将聚变作为能源的长期战略。委员会广泛接触了社区群众,12月中旬发布的报告得到了广泛的支持。除了呼吁在21世纪40年代建立一个试验工厂外,委员会还建议使用实验设施来更好地了解等离子体科学和技术。

  等离子体是什么?在核聚变所需的极端温度下,电子与原子核分离,气体变成等离子体——一种物质的电离状态。聚变能量和等离子体是密不可分的,一个聚变反应堆需要一个被限制和控制在其核心的“燃烧的等离子体”。等离子体科学在DIII-D国家核聚变设施取得了进展,该设施由通用原子公司作为能源部的承包商运营。在DIII-D,一个被称为托卡马克的环形金属真空室被强大得难以置信的磁铁包围着。由氢同位素组成的燃料可以通过加热到超过1.5亿华氏度转化为等离子体。

  国际核聚变反应堆(ITER)有望在核聚变方面取得更大进展,这是一个正在法国建设的耗资数十亿美元的国际项目。美国是这项试验的全球合作伙伴之一——事实上,通用原子公司正在提供该项目的一种关键部件——预计将于2025年12月投入使用。但是,ITER不能把它产生的能量作为电能来捕获。相反,它希望为未来核聚变发电厂的发展铺平道路。核聚变能源科学咨询委员会的报告呼吁在ITER的研究基础上进一步发展。该报告得到了委员会22名成员的一致支持,其中包括来自圣地亚哥的两名成员——加州大学圣地亚哥分校的所罗门(Solomon)和克里斯托弗·霍兰德(Christopher Holland)。该委员会的报告警告说,美国在核聚变研究、开发和运营方面有落后于其他国家的风险。但它没有给出一个试点核聚变工厂的成本估计,也没有对潜在的核聚变工厂选址提出建议。所罗门说,在这个早期阶段,委员会不想冒险进行猜测。

  所罗门说:“对于一个特定设施可能需要多少成本,或者它的特定任务实际上需要什么,人们有非常广泛的意见。这份报告现在已提交给能源部的核聚变能源科学办公室,该办公室将权衡这些建议,考虑应该实施哪些措施,以及向国会提出哪些资金请求。所罗门说,这份报告已经从国会山的工作人员那里得到了“积极的反馈”。

  美国当选总统乔·拜登(Joe biden)提名前密歇根州州长詹妮弗·格兰霍姆(Jennifer Granholm)担任能源部(Department of Energy)部长,能源部高层也将发生变动。所罗门说:“两党普遍强烈支持核融合。”“考虑到新一届政府已经表示对解决气候变化等问题感兴趣,我希望并期待这一计划能够继续得到支持。”

  
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