核聚變發電技術因生產過程中基本不產生核廢料,也沒有碳排放污染,被認為是全球碳排放問題的最終解決方案之一。5月10日,總部位於華盛頓DC的荷里昂能源公司(Helion Energy)宣布與微軟公司達成全球首個核聚變電力採購協議,意味著該技術正式走入商業運行。
核聚變(台灣叫「核融合」)是在特殊條件下將較輕的原子融合成較重的原子,如2個氫原子融合成1個氦原子,而釋放出巨大能量,這與太陽等恆星產生能量的方式相同。因為氫是常見的元素(水是氫的化合物),等於有取之不盡的能源,再加上生產工藝無放射性、無污染,所以該技術號稱能源界的聖盃,一直備受期待。
根據荷里昂能源公司和微軟的協議,新核聚變電廠計劃在2028年接入電網,在一年內將發電量提升至50兆瓦以上,在美國多個州營運商用核反應堆的星座能源公司(Constellation Energy)將擔任其電力營銷商,並將管理該項目的輸電。不過,對於如何實現這一目標,兩家公司都未給出具體的說明。
荷里昂公司是一家私營清潔能源公司。據其網站介紹,該公司創立於2013 年,十年來一直致力於開發核聚變商業電力系統。該公司在2020年建立了第六個核聚變工作原型,該原型達到了1億攝氏度的等離子體溫度。目前,該公司正在建造第七個原型,將使用脈衝高功率磁體技術實現核聚變,預計將在2024 年展示其發電能力。
荷里昂的創始人兼行政總裁大衛柯特利(David Kirtley)表示,他們有信心交付世界上第一個核聚變發電設施。他說,荷里昂與微軟的協議是有約束力的協議。如果他們沒能構建一個核聚變系統,將會受到經濟處罰。
台灣經濟部國際合作處的陳祈典在今年2月份撰文表示,多數專家都認為核聚變發電技術的商業化估計要到20年到30年之後才能實現,這對於2050年全球淨零排放目標的實現恐難有太大幫助。而荷里昂的計劃如果成功,則意味著全球核聚變能源部署的時間將比普遍的預期大大提前。
核聚變工業協會負責人安德魯霍蘭德(Andrew Holland)表示,核聚變並不容易,購電合同可能包括了電力交付時間的條款。
不過,他也認為,這份購電合同顯示出,商界已開始意識到核聚變時代可能提早到來,此次合作是對荷里昂的信任投票。
微軟副董事長兼總裁布拉德史密斯(Brad Smith)表示,他們樂觀地認為核聚變是可以幫助世界向清潔能源過渡的重要技術。而荷里昂的工作符合微軟的長期清潔能源目標,並將推動市場建立一種全新高效的方法,更快地將更多清潔能源輸送到電網。
星座能源公司的首席商務官吉姆麥克休(Jim McHugh)表示,核聚變技術將改變遊戲規則。「結合我們的無碳能源匹配方案,荷里昂和微軟正在幫助建立一個以無碳能源為標準的未來。」
工作原理及運作方式
目前的核能發電使用的是核裂變技術,通過種子連鎖撞擊鈾-235,分裂釋放出熱量產生蒸氣、進而推動渦輪機發電。不過,其最大的問題是用過的燃料棒仍有放射性,須長期冷卻並隔絕輻射,處理成本高。
而核聚變發電技術則不存在輻射和污染問題。荷里昂公司採用了獨有的脈衝等離子核聚變裝置,使用氘和氦-3融合釋放能量生成零碳電力。
根據該公司的說法,該裝置最終應該能夠重新獲取用於觸發反應的電能,將其用於為設備的磁鐵充電。不過,該生產工藝面臨的挑戰是如何實現淨能量增益。
美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)在去年(2022)底實現了核聚變的淨能量增益。該實驗室採用了當前兩種主流運作方式之一的激光束照射融合技術。
去年12月5日,美國能源部宣布LLNL的核聚變研究取得了重大突破,首次實現了核聚變反應的150%的淨能量增益。而這一成果背後是研究人員60年的努力。
實驗中,科學家們將192束激光束發射到一個微小的氫燃料球上,創造出超過1億攝氏度的高溫環境,使得氫原子發生聚變並釋放能量。結果顯示,激光束投入能量為200萬焦耳,而產生的能量輸出為315萬焦耳。
另有一種運作方式是環磁機技術,即電漿在管道中受超導磁鐵拘束不斷流動加熱以發生聚變。國際熱核聚變實驗反應爐(ITER)與歐盟、美國、中國、印度、日本、俄羅斯和南韓共同合作在法國興建了全球最大的環磁機,由歐盟主導,預計於2025年進行電漿實驗,2035年進行核聚變實驗,目標是將淨能量增益拉高至10倍。◇
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