全球7大前沿技术让太阳能电池效率翻番?

2022-08-08

来源:华体会体育官网入口 作者:华体会体育平台网页注册

  科学家和工程师们正在开发一系列看起来渺茫,却有望彻底解决能源危机的新技术。

  利用原本危险的核废料作燃料,建成一个核裂变反应堆——它先由激光驱动产生核聚变爆炸,再由爆炸触发裂变反应,于是产生出一种新能量;而一种新的设备能将阳光和二氧化碳转化为燃料,取代汽油。

  一种将为制冷机带来革命的磁体,以及能降低汽车油耗的记忆合金,将使能源利用率大幅提高。

  也许这些新技术最终成功的可能性只有10%,但如果其中任何一种成为现实,能源利用率和安全水平就会得到极大提高。

  许多人都在研究如何更有效地利用可再生能源及如何提高能源效率,这固然很好,然而,大多数研究成果可能只是对现有技术设备的一些有限改进。我们需要从根本上彻底改变能源开发和利用的现状。

  多年来,科学家和工程师为我们构想了一幅幅美妙画面:太空中,卫星吸收太阳光的能量,再将能量束传导回地面上的接收站;飘浮在大气层中的风力发电机……然而,幻想总要落实到现实。最近一些可观的政府或私人资金投入了这些研究,来帮助关键领域中各种各样的长远技术研发。接下来介绍的这些项目,都是最有可能得到回报的范例。当然,前提是它们的发明者能跨过重重障碍,并最终使科学成果投入大规模生产。

  自然界中,太阳的光和热源自核聚变;氢弹的能量也来自核聚变。物理学家和工程师数十年来也一直在努力研究如何通过核聚变发电。现在,研究人员能够轻松制造出可控核聚变反应——只要让氢原子核足够猛烈地碰撞压缩到一起,它们就会融合,并释放出中子和能量。然而,要让核聚变用于发电,就必须做到更高效,以使反应所释放的能量大于触发反应(被称为“点火”)所需的能量,这是科学界的一道难题。

  因此,美国利弗莫尔国家实验室国家点火装置(National Ignition Facility)的科学家设计出一套新方案:用核聚变来驱动裂变,利用原子分裂产生的能量来驱动传统核反应堆。该实验室主任爱德华·摩西(Edward Moses)声称,利用这一机制运作的实验性核电站有望在20年内建成。

  根据利弗莫尔实验室的构想,要先在一个反应室的内壁上排放一厚层铀或其他核燃料,然后利用激光脉冲在反应室内触发核聚变爆炸,放射出的中子轰击到内壁上的核燃料后,会使其中的原子分裂。这可以将反应室的能量输出提升3倍,甚至更多。

  和平利用核聚变驱动裂变概念的提出,要追溯到上世纪50年代。当时,苏联的氢弹之父安德烈·萨哈罗夫(Andrei Sakharov)首次提出了这个设想。

  既然大部分能量仍来自裂变,为什么不继续使用传统核电站,却非要不厌其烦地研究由聚变来触发呢?原因在于,裂变反应堆要依赖于链式反应,即裂变的原子释放出的中子会触发更多原子发生裂变。想要维持链式反应的进行,就必须用钚或浓缩铀作为燃料,这两种材料都能用于生产核武器。

  而聚变—裂变混合反应堆是由聚变爆炸产生的中子触发裂变反应,不再需要维持链式反应的进行。这样的设计扩大了核燃料的选择范围,可以使用的燃料包括未浓缩的铀、贫化铀(来源丰富,浓缩铀使用后的废料),甚至其他核反应堆产生的废料——否则,这些废料必须得贮存数千年,或者需要进行复杂和危险的再处理后,重新作为裂变电站的燃料。

  另一个原因是燃耗。对传统核反应堆而言,燃料使用到必须被更换之前,可裂变原子中仅有一小部分发生了裂变。摩西介绍说,而聚变—裂变反应堆能消耗掉核燃料的90%。因此,它的燃料需求量或许只是普通裂变反应堆的1/20。这种反应堆的使用寿命约为50年,其中最后十年被称为“焚化”阶段,在这一阶段里,输出电能逐渐减少,即使如此,它也能将约2 500千克的长半衰期核废料消耗到只剩约100千克。

  与此同时,研究人员也在进行基于磁控核聚变的聚变—裂变设计,这是可控核聚变的另一种方式,利用超强磁场来约束聚变反应。2009年,美国得克萨斯大学奥斯汀分校的科学家提出了一个带有紧凑型磁控核聚变触发装置的混合反应堆设计方案。中国的研究人员也正在评估关于优化能量产生、传统核反应堆燃料生产,以及利用核废料发电的设计方案。

  以任何形式利用核聚变产生能量,都是很超前的设想。即便是摩西的实验室于今年成功实现点火,这种混合核电站的一些主要技术障碍依然存在。例如,微小的、精细加工制成的聚变靶丸要能以可接受的成本量产;还需要一系列未经检验的新技术,来保证点火频率达到每秒10次(目前“国家点火装置”在一天内命中靶丸的次数也没几次)。

  制造混合反应堆,还需要一些在纯聚变装置中用不到的技术。具体来说,就是裂变燃料层,其中的燃料要能经受得住比传统核反应堆中高得多的温度,以及猛烈得多的中子轰击。候选设计包括从固态的多层“卵石”状核燃料,到液态的、含钍、铀或钚的熔融盐。

  这无疑是一个巨大的挑战,但摩西已经设想好了一条雄心勃勃的研发路线来实现这个目标。虽然,他们实验室的首要任务还是必须证明激光核聚变能够点火成功。

  太阳每一个小时照射到地球上的能量,就比人类一年消耗的能量还多。如果科学家能够将过剩太阳能转化为液体燃料,哪怕只是一小部分,就能解决我们对化石燃料的依赖,以及由此带来的种种问题。“如果能有效、经济地利用太阳能来制造化学燃料,就能彻底改变能源现状,”美国加州理工学院人工光合作用联合研究中心主任内森? 刘易斯(Nathan Lewis)评论说。

  其中美国桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)开展的一项尝试非常吸引人。他们在新墨西哥州的沙漠中安装了一些直径6米的圆盘状镜面,能将太阳光聚集到安放在盘面前方的一个半米长、形状像啤酒桶的圆柱形仪器上。太阳光被这些镜面聚焦后,从仪器表面的一个窗入,照射到里面12个以每分钟一圈的速度旋转的同轴圆环上。圆环的边缘是以齿状排列的氧化铁(铁锈)或氧化铈,它们依次旋转进光束,并被加热到1 500℃,如此高的温度能驱出铁锈里的氧。当转到反应室较冷的暗处时,它们又能从注入反应室里的水蒸气或二氧化碳中把氧吸回去,剩下富含能量的氢气和一氧化碳。

  这样产生的氢气—一氧化碳混合气体被称为合成气(syngas),它是化石燃料、化工原料甚至塑料在分子层面的基本原料。燃烧生成的合成气所释放的二氧化碳,还能被该过程全部吸收。美国高级研究计划局能源项目部主任阿伦·麦琴达尔(Arun Majumdar)评论说,这种太阳能燃料系统“可谓一石四鸟”,即带给我们更清洁的能源供应,更高的能源保障,更低的二氧化碳排放和更小的气候变化影响。

  在其他地方,例如瑞士联邦理工学院(Swiss Federal Institute of Technology)和美国明尼苏达大学,研究人员也在研发生产合成气的设备。还有一些新兴公司同时在寻求其他途径来达到类似目标,例如位于马萨诸塞州的Sun Catalytix公司将一种廉价催化剂泡入水中,并利用太阳能电池板产生的电力,来制备氢和氧,新泽西州Liquid Light公司将二氧化碳气体导入一种电化学反应池来产生甲醇。此外,刘易斯本人也正在研制一种“人造树叶”(参见《环球科学》2010年第11期《人造树叶:阳光变燃料》),它由一种半导体纳米线制成,能利用阳光将水分解成氢和氧。