美国麻省理工研发核融合不遗余力,除了与私人企业 Commonwealth Fusion Systems(CFS)研发核融合技术之外,现在又提出全新核融合反应炉设计,新结构可打开内部腔室替换重要零件,将有助于提升反应炉散热系统,进而延长设备的使用寿命。
为了要在地表打造一座能量可与太阳比拟的设备,人们如火如荼研究核融合技术,利用氘与氚原子在高温高压下的融合反应来产生能量,其中氘是氢的同位素,可以从海水中提取,氚也可以从中子撞击锂来获得,核融合的燃料可说是相当容易取得,然而科学家投入核融合数十年之久,至今消耗能量仍没有跟输出能量持平,距离商业化、用于发电厂还相当遥远。
开发核融合并不是一件简单的事情,该技术能量主要以是中子形式释出,中子撞击电浆反应炉外面的锂制覆盖层(blanket)除了会产生氚,也会释出大量热量,虽然这些热量可以用于热交换器来制造蒸气,进一步驱动涡轮机,但是电浆本身也会产生 20% 的热,因此科学家得分离出这些热量,防止电浆过热熔毁反应炉。
通常核融合电浆温度会高达数百万度,基本上没有什么材料能够承受如此高温,因此科学家都是透过强大的辅助线圈──也就是偏滤器──来防止电浆与腔室接触并排除多余的热量,只不过对于麻省理工先前研发的小型核融合反应炉(compact plant)Sparc 来说,偏滤器无法承受新设备产生高温。论文第一作者 Adam Kuang 指出,如果再不改善散热系统,核融合反应炉总有一天会损毁。
在传统核融合设计中,辅助线圈都会环绕在主线圈外围,线圈必须要足够长跟稳定才能让磁场穿透整个腔室,只不过这种设计也造成科学家无法精确控制电浆的形状。
▲ ARC 设计模型,1. 电浆;2. 新型偏滤器;3. 铜制补垫线圈;4. 高温超导体(HTS)极向场线圈,可帮偏滤器内的电浆塑形;5. 用于吸收中子热量的 FLiBe 液态材料;6. HTS 环形磁场线圈,电浆整体塑形;7. HTS中央电磁阀;8. 真空腔室;9. FLiBe 槽;10. 环形磁线圈接头,可以打开并进入反应炉内部。
因此麻省理工提出全新核融合结构,并称之为 ARC(更进步、强大与小型;for advanced, robust, and compact),其特色是反应炉内部可拆解检修,让辅助线圈可以放在主线圈之内,Kuang 指出,只要缩小辅助线圈与电浆的距离,就可以大幅缩小电浆尺寸。
在团队的构思中,偏滤器的概念跟汽车排气系统差不多,Kuang 表示,新型结构的“排气管”与现有反应炉都还要长跟宽,能有效排出更多的热量。且高温超导体除了让 ARC 磁场设计更加致密,团队也可以提出许多最佳化方案,不过目前还需要更多的分析与评估替代设计。
由于核融合取材容易与无放射性污染,安全性与能量生产量皆比核分裂技术佳,核融合发电一直以来都被认为是未来的电力希望,而随着科学家的研究发展,或许总有一天核融合可从“未来的”技术变成现在进行式。
- A new path to solving a longstanding fusion challenge
(本文由 EnergyTrend 授权转载;首图来源:麻省理工)
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