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实现商业化核融合发电没有想象中那么遥远!

时间:2021-12-07 04:56:45 作者:Maurizio Di Paolo Emilio,EE Times欧洲特派记者 阅读:
我们在地球上要如何运用同样的原理产生能源呢?一家名为General Fusion的公司正在研发一种运用磁场的核融合发电技术,并与加拿大核子实验室(Canadian Nuclear Laboratories)积极合作,开发可运用于商业化核融合发电厂的氚(tritium)萃取流程。
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太阳和其他恒星之所以能制造出庞大能量,靠的是核融合反应。这些宇宙中的大熔炉产生的高温和高压,足以驱动氢原子碰撞并互相融合。

我们在地球上要如何运用同样的原理产生能源呢?一家名为General Fusion的公司正在研发一种运用磁场的核融合发电技术,并与加拿大核子实验室(Canadian Nuclear Laboratories)积极合作,开发可运用于商业化核融合发电厂的氚(tritium)萃取流程。

除了加拿大,英国的原子能管理局(U.K. Atomic Energy Authority,UKAEA)也与General Fusion合作,打造英国境内的核融合示范厂Fusion Demonstration Plant。在该座位于库尔汉姆(Culham)的新设施竣工后,General Fusion将与UKAEA签订长期租约,用以展示该公司的核融合技术,并为未来的第一座试运营商业发电厂奠定基础。

General Fusion商业发展总监Jay Brister表示,私人企业持续为核融合技术的发展投入资金,至今已累积超过20亿美元;”世界各地的监管机构现在都在探索发展核融合技术必要的授权问题。核融合发电能够帮助那些正在因应气候变迁的国家实现零碳排目标。”

Brister指出,像是美国的核融合产业协会(Fusion Industry Association)与其他相似组织正积极地与政府单位合作,建立商业化核融合发电的法规架构。英国的Regulatory Horizons Council (EETT编按:评估创新技术所带来的影响以及如何安全导入实际应用,为政府提供政策建言的独立专家顾问委员会)也正进行类似的工作。”

随着研发资金逐渐到位,更实际、可行的核融合技术也逐渐成形,并可望成为充足、可靠的电力来源。尽管如此,许多障碍依旧存在。例如现有的输电网络必须升级才能支持多样的电力来源。Brister表示:”能源网会随时间演化,尤其是当更多的再生能源加入输电行列。核融合的其中一个好处是能量密度高,需要使用的土地面积小。而由于核融合发电厂可以靠近用电地兴建,也使得电力传输的距离缩短,土地使用的效率更高。”

他补充指出:”电力网络正朝着分布式的特性发展,具备能提供一个规模的在地化、可调度电力来源,并与再生能源互补,会是其关键。核融合会成为广泛的洁净能源选项之一。 “而核融合发电的支持者认为,这个产业会加入太阳能与风力发电的行列,在减少碳排放以及解决气候变迁等方面发挥更大的作用。

Brister断言:”全球都在设法对抗气候变迁,世界各地的能源供货商也纷纷升级基础设施,以减少碳排放量。一个强健的电力系统需要稳定的能源,也需要间歇性能源,核融合不只不受天气影响,更可以按需求供应,可望成为再生能源绝佳的新选择。”

这种零碳排”稳定”能源同时具备满足用电需求、取代老旧基础设施的效果。Brister补充:”到2050年,全球电力需求估计会是现在的三倍。要满足不断成长的需求,核融合对电力公司来说,会是发电技术组合中的一个有力的额外选项。”

核融合技术揭密。

(图片来源:General Fusion)

磁化定位核融合

电磁铁是由围绕着一个机械物体的线圈所构成,当电力流过线圈,会在其内外产生磁场,磁场的强度则会随着线圈缠绕的圈数等比例成长。然而,铜线具有电阻,会造成部分能源以热的形式被耗散。如果线圈接通是间歇性并因此有冷却的时间,电阻产生的热能就不是问题。

由铌钛合金(niobium-titanium)制成的超导磁铁在低温下没有电阻,这让线圈不必散热也能长时间处理大电流。但像是铌钛合金等材料需要大型、昂贵的极低温冷却系统才能使用。

General Fusion采用一种称为磁化定位核融合(Magnetized Target Fusion,MTF)的电浆围束(plasma confinement)方法,只需要使用以脉冲式为基础运作的简单电磁铁,就能实现可循环的核融合反应。其运作原理如下:

  • 在一个容器中装入液态金属,使其旋转直到金属中央形成空腔。
  • 将氢电浆注入所产生的空腔中。
  • 将氢电浆压缩并加热至超过摄氏1亿度,直到产生核融合反应。

Brister表示:”核融合产生的热能会加热周围的液态金属壁,在我们的商业试运营电厂中,金属壁的热能会被转用于制造蒸气,再由蒸汽推动涡轮机,并产生电力。”MTF将电磁铁运用于电浆注入器中,注入器会产生一个电浆环,并透过旋转运动制造磁场,形成粒子云。电浆环会在短暂的寿命期间被压缩至核融合反应需要的温度和压力。

电浆粒子沿着磁场线流动,在完全不碰触金属壁的情况下循环。如此一来可防止高热的核融合电浆因碰触到液态金属而冷却。在电浆核心加热的过程中,磁场做为了完美的绝热体。Brister表示,在这个过程中,反应炉的墙壁温度可以维持足够的低温,因此能够做为发电厂结构的一部份。

General Fusion声称MTF有四大关键优势:

  • 原料耐久性:液态金属衬里可以为MTF结构抵挡核融合反应释放的中子,解决面对电浆的材质受到结构性伤害的问题──又被称为第一壁(first wall)问题。
  • 燃料生产:核融合流程第一步是在反应炉中填入液态金属,旋转至中心形成空腔后,将氢电浆注入其中。Brister解释:”我们使用高速的数字控制系统同步管理500个独立的高功率活塞,将电浆压缩至足够发生核融合的状态。整个压缩过程在数毫秒内发生,当电浆被液态金属压缩至产生核融合反应后,会释放出能量与氚元素;这些氚原子会被撷取用作燃料。
  • 能量转换:在试运营电厂中,金属壁的热能会被转用于制造蒸气,再由蒸汽推动涡轮机,并产生电力。
  • 能源经济:General Fusion声称MTF不论在制造或规模化上都相当单纯,因为它采用的是简单的电磁铁,不需要使用昂贵的雷射。

过热电浆(Superheated plasma)是实现核融合发电的关键。

(图片来源:General Fusion)

一切只是时间问题

Brister认为,核融合商业化没有我们想象中那么遥远;General Fusion在英国建造的示范厂将为MIF技术的效能与经济效益提供左证。”我们可以透过这个方式逐渐扩展至商业化的发电厂;”他表示:”为实现此目标,我们会在类似发电厂的环境下建立核融合的条件,但先不生产电力。示范厂会制造出中子,在过程中搜集的数据将为我们提供打造商业化先导发电厂所需的信息。”

General Fusion计划在2022年开始兴建商业化先导发电厂,可望在2025年开始运转。Brister表示:”我们将运用示范厂中学到的知识,打造能够产生电力的商业化先导发电厂。在气候变迁的时间压力下,我们预计能在2030年前为家庭、商业,还有工业提供核融合能源。”

本文同步刊登于《电子工程专辑》台湾版杂志202110

(参考原文:The Race to Build a Commercial Fusion ReactorBy Maurizio Di Paolo Emilio

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