人类能源困境的三大突破口: 氢能、新核能和核聚变的发展与现状

科技维度视界评2024-04-23 21:42:20  128

在全球能源需求不断增长的今天,我们面临着一个新的局面,无论是人工智能还是量子计算,都是需要消耗大量能源来支撑,随着人工智能的逐渐普及和全方位渗透日常,要保障人工智能(AI)的快速发展,就需要大量的能源支持。

具公开信息显示:全球数据中心目前占全球电力使用的1%到1.5%,AI的极速发展可能会是这个数字迅速上升,如果按照当前AI的能力和应用的趋势发展,到2027年,NVIDIA每年将会出货150万台AI服务器。要知道这150万台服务器,如果全力运行,每年就将消耗至少85.4太瓦时的电力,这比许多小国一年的电力使用量还要多。

像是太阳能、风能等传统可再生能源虽然发展迅速,但在满足未来高强度能源需求方面存在局限。因此,我们需要探索更多高效且可持续的能源解决方案。在未来要如何满足如此庞大的能源需求,同时还要减少对环境的影响。在市场上已经开始进入商业赛道,不同的能源解决方案不是没有,先看看:

氢能源:高效清洁的能源

氢能源作为一种高效、清洁的能源选择,近年来得到了国际社会的广泛关注。氢能的核心优势在于其高能量密度和零排放的特性。当氢气被用作燃料或通过燃料电池产生电力时,其唯一的副产品是水,无任何温室气体排放。

以色列初创公司Electriq Global的技术展示了氢能源的一种革新方法。该公司开发的技术能够从水中安全、高效地提取氢气,并以固态粉末形式储存和运输氢气,极大地简化了氢能的应用。这种粉末可以在不接触电网的情况下释放出氢气,适用于各种环境和条件,无论是陆地还是海上。

然而,氢能源技术的商业化和大规模应用还是存在包括高昂的生产成本、需要专门基础设施以及规模化生产和运输设施的建设等问题。还有目前在各个国家的监管许可的获取也是推动氢能源发展的一大障碍。

新核能:安全和效率并重的进步

新型核能技术,如Transmutex和Newcleo公司所展示的,提供了一种在安全性、效率和废物处理方面均有显著改进的能源解决方案。Transmutex公司开发的TMX-START技术,是一种次临界反应堆,反应堆使用的是钍,一种在地壳中广泛存在的弱放射性金属。通过粒子加速器驱动,可以安全地转化长寿命放射性废物为短寿命或无放射性物质。这种技术不仅能提高核能的安全性,还能有效解决传统核能面临的核废物问题。

另一方面,Newcleo公司正在开发的铅冷快速反应堆(LFR)技术,利用最危险的核废物作为燃料,同时能从天然铀中提取出更多能量,大幅度提高能源的利用效率并减少废物。公司还在探索在法国和英国的核电站,以开发一种专门从现有核废物中制造燃料的工厂。他们已经还提交了英国首个先进反应堆的合理化申请,并与法国原子能和替代能源委员会(CEA)达成合作协议。

这两家公司的产品也都属于小型模块化核反应堆SMR,具有可以灵活部署的极大优势。尽管新型核能技术具有巨大潜力,但其复杂的技术需求、高昂的建设成本以及公众对核能安全的担忧是需要克服的重要障碍。目前的政策和法规的限制也可能影响这些技术的快速推广和应用。

可控核聚变:清洁能源的终极解决方案

核聚变,常被誉为能源的“圣杯”,因其理论上能提供几乎无穷无尽的清洁能源而备受期待。

非实景|想象图

Focused Energy公司正在开发基于激光的核聚变技术,该技术利用高重复率的激光系统,通过精确控制的方式来实现聚变反应,旨在几年内建立首个商业化的聚变电厂。这家公司在2023年6月获得了总共8200万美元的资金融资,用于推进激光驱动的核聚变研究。他们的技术源自于2022年12月的劳伦斯利弗莫尔国家实验室,成功首次从核聚变中获得了净能量打下的基础。也让这项研究开始从实验室已经逐步步入商业化。

Thea Energy公司则在仿星器技术上取得了突破,公司在2024年4月首次使用永久磁铁构建了一种称为MUSE的仿星器聚变实验装置,通过使用商业可获得的部件和强大的永久磁铁,大幅降低了聚变装置的成本和复杂性,创造出前所未有的能力来保持聚变燃料的稳定,提升仿星器收集聚变能量以产生安全且无碳的电力的能力,这一突破性的成果被称为“准对称性”,使得仿星器几乎能够匹配托卡马克对称磁场的约束能力。目前他们也已经获得了美国能源部(DOE)的里程碑式聚变发展计划的资金支持。有望推动聚变能源的更广泛研究和应用。

可控核聚变技术的挑战在于其极高的技术要求和巨大的前期研发投入。以及需要达到的极高温度和压力条件。此外,实现经济上的可行性是一项及其复杂的大挑战,这需要技术上的持续突破和成本的大幅度降低。

综上所述,未来的能源解决方案将不再依赖单一的能源形式,而是需要多种能源技术的综合运用。氢能源、新核能和核聚变技术各有其独特的优势和不同的困境。

氢能源以其清洁和高效的特性,尤其适合在交通和工业领域中减少碳排放。随着技术进步和成本降低,氢能源有望在未来的能源体系中扮演更重要的角色。

新核能技术通过提高核反应的安全性和效率,解决了传统核能的一些根本性问题,如核废物和核事故风险。这些技术的发展将有助于核能在全球能源供应中,占据更为重要的位置。

核聚变作为一种理想的能源形式,虽然技术挑战巨大,但其潜在的能源输出和环境影响极小的特性,使其成为追求可持续发展社会的能源保障的新可能。

就介绍到这里,我们尽量避开深奥的技术性描述。作为普通人的我们,没有办法去细致研究这些新的能源技术到底谁更强,但就直觉来说,你会看好哪一项的发展呢?

名词诠释

磁性约束:也被称为磁约束,是一种利用磁场来约束等离子体中带电粒子的运动的方法。这种方法主要为可控核聚变提供理论与技术支持,其主要形式为托卡马克装置与仿星器装置。在核聚变中,磁约束的主要作用是通过磁场与等离子体相互作用将等离子体限定在一定区域。磁场对等离子体粒子施加的洛伦兹力,可以使粒子绕磁力线作回旋运动而被磁场约束住。

此外,如果等离子体内存在电流,则等离子体电流与其自身产生的磁场的相互作用力(箍缩力)能使等离子体箍缩(约束)起来。磁约束只能约束垂直于磁场方向上的等离子体,不能约束沿着磁力线方向运动的等离子体。在环形装置中,磁力线的旋转变换可消除其中的电荷分离,将带电粒子束缚住。磁约束是实现受控热核聚变的重要条件,它利用强磁场能大幅度地减小带电粒子横越磁力线扩散和导热的特性,使处在磁场中的高温等离子体的芯部与容器的器壁隔离开。

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