核聚变与热泵:如何解决明日的冬季供暖难题

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  • 核聚变长期被誉为清洁能源的“圣杯”。它与裂变相反,裂变是存在熔毁风险的核电。

  • 美国能源部宣布取得一项突破,将其作为能源里程碑予以公布,这验证了该技术的可行性。

  • 与热泵相结合,廉价且充裕的核聚变电力将在其部署的任何地方彻底改变家庭用能方式,并有望最早在2030年代投入使用。

美国能源部宣布在核聚变领域取得突破,在一项使用激光的聚变实验中首次实现了净能量增益。

这一消息正值温带地区能源危机蔓延之际:人们需要在冬季保暖,但资金和排放成本都在不断攀升,许多人转而使用木材和煤炭等原始取暖燃料,碳排放量很高。在人们寻求廉价的方式以在今年冬季保暖的同时,显然我们需要对成本具有竞争力、稳定且清洁的能源进行长期投资。

尽管过去十年可再生能源的增长颇具前景,但核聚变才刚刚开始获得推动其走向商业化应用所需的认可与支持。

2030年代的核聚变

核聚变是驱动太阳和恒星的过程,也是地球生命得以存在的基础。它的原理是将两个轻元素聚合在一起,生成一种新元素,其总质量略小于原始两种元素的质量之和。这种相当微小的质量差异会释放出巨大的能量。

世界各地正在建设核聚变反应堆,以探寻控制并捕获此类反应能量的最佳方式。

包括位于南加州的TAE Technologies在内的先驱发明者,正竞相将这一为太阳提供能量的自然过程引入地球,建设陆上核聚变发电站。这一构想自20世纪50年代末便已存在,但近年来取得了显著进展。商业化核聚变发电据一些人预计将在2030年代推广应用——如果能够广泛且迅速地实施,它或将为世界实现联合国2050年气候目标提供强大的最后推动力。

在COP27大会上,人们大量讨论了到2030年将排放量减半以实现《巴黎协定》设定的目标,以及较发达国家应协助那些已经饱受气候变化冲击的较贫穷国家的责任。然而,核聚变并非这场讨论的主要议题——但正如欧洲的干旱和热浪、巴基斯坦和尼日利亚的洪灾以及近期发生的其他各类气候灾难所表明的那样,我们需要大规模的变革。未来十年向核聚变的转型或可提供正是这样的变革。

核聚变发电将彻底改变能源行业,而在环境影响最为显著且需求持续增长的领域之一便是家庭供暖与制冷。以核聚变为燃料的电网所提供的廉价、充裕电力,或将终结我们在本冬所目睹的供暖季混乱局面。

在美国,东北部用于为炉具提供燃料的取暖油供应紧张,且全国范围内核电站的关停正导致电费飙升——许多人正身处一个寒冷且昂贵的冬季。家庭供暖的混乱清楚地表明,我们现有的低效且高污染的系统需要被淘汰,成为历史。

一种依赖电力的供暖和制冷技术方案即将获得广泛应用:热泵。

热泵已经开始获得发展势头

通过利用室外空气中的能量——即使在寒冷的日子里,这些能量依然存在——并以热量的形式将其导入室内,热泵能够高效地为房屋供暖。夏季时,该过程可以逆向进行,将热量排出室外,从而为房屋降温。尽管热泵承担了集中供暖和制冷的全部工作,但其能耗远低于燃油燃烧器或暖通空调系统。

过去,真正安装热泵的最大障碍一直是成本。一套全屋系统的费用约为1万美元。但由于美国已推出一项8000美元的联邦税收抵免政策,该政策作为美国3690亿美元《通胀削减法案》的一部分获得通过,热泵在美国的普及速度将进一步加快。

该技术仍需克服一个普遍误解,即热泵无法应对真正的冬季环境。然而,过去十到十五年间斯堪的纳维亚地区的广泛应用表明,热泵能够在严寒气温下运行。在挪威北极圈附近,近三分之二的家庭依靠热泵取暖,而瑞典和芬兰也有略超40%的家庭安装了热泵。

在纽约市,热泵在新建住宅项目中正变得日益普遍,一项新计划将于今冬开始在该市公共住房中推广热泵,这些住房长期存在炉具损坏和供暖不足的问题。在美国东北部的农村地区,热泵与屋顶太阳能相结合的应用日益普遍,使居民逐步摆脱燃烧燃料和木柴取暖的方式。随着越来越多的城市效仿旧金山和圣何塞,禁止新建建筑接入天然气管线,热泵将成为事实上的替代系统。

英国科学家打破能源纪录,核聚变研究取得突破性进展
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01:25

为子孙后代现在投资核聚变

如果我们作为一个社会要实现家庭供暖及其他住宅电器的电气化,就需要价格可承受、无碳排放的电力来为其供能。

今天投资核聚变能源的研发,或将为未来数代人带来回报。

凭借廉价、超充裕的核聚变电力,热泵的效率将得以充分体现:与东北部人们为取暖油所支付的费用相比,家庭供暖和制冷成本将微不足道;与因供需及地缘政治不稳定而导致的电价居高不下相比,同样如此。

若无此举,未来的冬季将与今年一样混乱且具有破坏性,无论从社会还是气候角度而言皆是如此,甚至可能更为严重。

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