初创企业加速核聚变路，工程师迎挑战，2030年前商用反应堆

×工程学8（2022）6新闻亮点初创企业寻求加速核聚变之路米奇·莱斯利高级技术作家2021年9月，世界这个3米高，9000公斤重的装置（图1）是总部位于美国马萨诸塞州剑桥市的初创公司Commonwealth FusionSystems雄心勃勃的计划的核心，该计划旨在建造一个聚变反应堆，产生比刺激和维持其核反应所需的更多的能量[2，3]。科学家们测试过的实验性聚变方法都没有接近这一标准。即使是价值数十亿美元的国际热核实验反应堆（ITER），这个由35个国家赞助的大型项目正在法国南部建设（图1）。 2），预计最早要到2030年代中期才能超过盈亏平衡点[2，4]。但联邦聚变系统公司的目标是在2025年前建立一个试点工厂。其他20多家公司和合作伙伴也在寻求加快聚变时间表[5]，其中一些公司声称他们将在十年左右的时间内拥有商业反应堆[6，7]。怀疑论者说他们以前听过很大的承诺-一个老笑话是，一个工作的聚变反应堆总是只有30年的时间。然而，研究人员和工程师在材料、计算机建模和控制系统等领域取得了关键进展，他们对高温等离子体（图3）有了更好的了解，所有聚变设计都依赖于这种类似气体的物质状态。因此，“有多条明确的路径可以使反应堆尽快工作，”克里斯托弗·霍兰德说，他是加州大学圣地亚哥分校能源研究中心的研究科学家。 投资者已经接受了核聚变很快就能实现的想法-超过20亿美元[9]。尽管如此，霍兰德和其他专家警告说，巨大的工程障碍阻碍了实际的聚变反应堆，包括如何最好地保护设备免受其自身的副产品的影响，以及如何提供氚，在大多数设计中是核燃料的一种成分[10]。工程师们最终会找到这些挑战的解决方案，物理学家兼聚变动力协会主席斯蒂芬·迪恩说，聚变动力协会是一个位于马里兰州的促进聚变研究和发展的基金会。‘‘But it is going to take longer than ten核聚变比为世界上所有商业核电站提供动力的裂变反应有几个优点。裂变反应堆捕获当大原子--通常是U235--分裂时释放的能量，而聚变反应堆产生的能量则是U 235。Fig. 1. 从上面看，这款来自Commonwealth Fusion Systems的超导磁体可以在-263°C的温度下产生20 T的磁场。该公司计划在2025年之前建立一个试点工厂，使用多个这样的磁铁来控制等离子体，这可能成为第一个产生更多能量的反应堆超过了聚变反应所需的能量图片来源：Gretchen Ertl，CFS/MIT-PSFC，2021（公共领域）。当小原子--通常是氚和第二种氢同位素氘--结合时释放的能量产生的能量。聚变反应堆每克能产生四倍的能量作为裂变反应堆的燃料，不会熔化，也不会产生高放射性核废料[12]。原则上，核聚变发电厂可以提供大量的低碳电力，从而有助于应对气候变化。但正如一位评论家所说，开发一个工作的，实用的反应堆该装置必须将带正电的原子核挤压在一起，这些原子核彼此强烈排斥。等离子体的极端热量-在ITER内旋转的等离子体将达到1.5 108°C，比太阳内部热十倍工程师们必须解决的挑战，使聚变反应堆可行，包括产生等离子体，并保持足够长的时间来激发聚变;保护反应堆免受高温和中子的影响;并将产生的能量转化为电能。利用等离子体的最佳研究技术是托卡马克，这是一种形状像甜甜圈或苹果核的反应室，发明于20世纪50年代[13]。围绕在设备周围的强大磁铁产生了一个磁场，将等离子体封闭起来，https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.11.0062095-8099/©2021 THE CONDITOR.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engM. 莱斯利工程学8（2022）67-××---图二. （a）ITER（图中显示为2018年正在建设中）将包含总计1万吨冷却至269 °C的超导磁体，这些磁体将捕获和控制其等离子体。图像来源：Oak Ridge National Laboratory（CC BY 2.0）（b）ITER托卡马克的内部容积为830立方米，将是世界上最大的Credit：Motokoka（CC BY 2.0）.图三. 灼热的等离子体在英国牛津郡Culham的Mega Ampere球形托卡马克中发光，该托卡马克在1999年至2013年期间产生了30，000多个等离子体。图像来源：Eye Steel Film（CC BY 2.0）保持其热并防止其损坏腔室的壁。自20世纪50年代以来，全世界已经建造了100多台这样的机器，它们仍然很受欢迎-ITER是一个托卡马克。科学家们也在探索各种其他方法。一个例子是美国加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火设施，一个由192个激光器组成的阵列，将燃料舱加热到超过3 106°C，触发胶囊中的氘和氚融合[15]。利用电力、粒子束和其他能源，研究人员已经启动了短寿命等离子体。例如，在2021年，中国到目前为止，还没有反应堆产生燃烧的等离子体，其中聚变反应提供了大部分能量以保持等离子体处于极端温度[17]。“我们认为我们现在可以做到这一点。这是至关重要的第一步，”霍兰德说。燃烧的等离子体是获得净能量增益的先决条件，聚变装置的最终目标是使反应产生比激发和维持它们所需的更多的能量[18]。托卡马克的最高性能是输出输入比略低于0.7。然而，在核聚变发电厂中，反应需要释放出比它们消耗的能量多15倍的能量[19]。部分原因是，只有一小部分原子结合释放的能量可以被捕获用于发电。核聚变反应堆的运行也需要大量的电力。美国弗吉尼亚州威廉斯堡的威廉和玛丽学院的物理学助理教授萨斯基亚·莫迪克说，一个耗电的聚变技术的例子是限制等离子体的超导磁体ITER保持在269 °C，并将其冷却到该温度需要世界ITER计划在2026年达到但假设该项目产生燃烧的等离子体并按计划实现净能量增益，专家表示，它将提供重要的数据和经验，帮助他们改进商业反应堆的设计。不过，ITER不会解决几个关键的工程问题。一个不确定性是反应室内衬的最佳材料[20]。这种材料不仅要承受等离子体的热量，而且还会受到聚变反应中产生的中子的撞击，这可能会造成损害。另一个悬而未决的问题是如何生产反应堆所需的氚[20]。 科学家们设想在托卡马克上覆盖一层锂，当被中子轰击时，锂会产生氚。然而，这个毯子是否能提供足够的氚还不清楚。‘‘I do not see commercialfusion reactors until those two engineering challenges are solved,”said越来越多的国家已经决定，学习如何克服这些和其他工程障碍的最佳方法是通过做。英国希望在2040年之前拥有一个政府资助的原型反应堆，中国可能会更早[21，22]。如果美国遵循两个专家组的最新建议，它将利用十几家寻求核聚变的私人公司表示，他们可以在最后期限之前完成，而且价格更低。新技术可能会给他们带来动力。例如，ITER的磁体需要保持如此冷，因为它们使用较旧的超导材料-含铌的电线[25]。Commonwealth Fusion Systems的磁铁含有一种涂有稀土钡铜氧化物的磁带，在263 °C下工作最好，269 °C [26]。磁铁将比ITER的更小，但更强大，而且该公司表示它反应堆的成本应该比ITER低得多。联邦聚变系统公司是坚持使用托卡马克的几家公司之一--无论是甜甜圈还是苹果核。但其他竞争对手正在评估各种新型反应堆配置。例如，来自美国加利福尼亚州Foothill Ranch的TAE Technologies的最新机器是一个24米长的管，它在两端产生环形等离子体，然后以高速将它们推到一起以创造聚变条件[27]。总部位于加拿大不列颠哥伦比亚省温哥华的General Fusion计划到2025年在英国完成一个4亿美元的示范工厂。该装置将等离子体注入一个装有熔融铅和锂的腔室。活塞将压缩熔融金属，这反过来又会挤压等离子体，直到发生聚变[28]。M. 莱斯利工程学8（2022）68迪恩说，如果目前的任何努力能够导致核聚变发电厂但他补充说，这只是核聚变商业化的一步。然后，公司需要证明他们可以建造与能源市场上的引用[1] 周A这种强大的电磁铁可以帮助使核聚变能源成为现实。华盛顿特区：科学; 2021年 9 月 8 日 [ 引 用 2021 年 10 月 18 日 ] 。 可 从 以 下 网 址 获 得 ：https://www.science.org/content/article/powerful-electromagnet-could-help-make-fusion-energy-reality。[2] 作者：Michael S，John S.磁铁里程碑移动遥远的融合梦想更近[互联网].纽约市 ： 美 联 社 新 闻 ; 2021 年 9 月 9 日 [ 引 用 2021 年 10 月 18 日 ] 。 可 查 阅 ：https://apnews.com/article/technology-sports-france-climate-environment-and-nature-029 d14 f22 aaabe 1a 33030 f612 d8 fc 52 a。[3] 普洛克托·D Power访谈：设计一个净能源融合系统。休斯顿：电力; 2020年10月26日[引用2021年10月18日]。可查阅：https://www.powermag.com/the-power-interview-designing-a-net-energy-fusion-system/。[4] 蒂罗内·J 核聚变反应堆因新冠疫情的最新浪潮而受阻[互联网]。纽约市：彭博绿色;2021 年 5 月 10 日 [ 引 用 2021 年 10 月 18 日 ] 。 可 查 阅 ：https://www.bloomberg.com/news/articles/2021-05-10/fusion-reactor-waylaid-by-latest-waves-of-covid-pandemic。[5] Markoff J. 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