利用聚变能源高效发电,商用核聚变能源技术获突破

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英国业者Tokamak Energy宣布已成功利用超导磁铁的高效能运作,完成低温电子电力技术(cryogenic power electronic technology)的测试。

Tokamak Energy的核聚变(fusion)技术研发,是结合了球形托克马克(spherical tokamak)和高温超导(high-temperature superconducting,HTS)磁铁;该公司指出,新的电力电子测试展现了两倍于以往系统的效率,大幅度地降低了冷却HTS磁铁所需的电力,可望降低未来核聚变发电厂的成本,这是核聚变技术迈向商业化和扩大规模的关键。

用在托克马克设备的超导磁铁是用以集中和隔离电浆,使之能够达到核聚变所需的高温。低温冷却是众多能源议题之一。新方法是在一个真空的低温恒温器(cryostat)中采用,利用更高效率的电源转换器。

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2020年,美国能源部(U.S. Energy Department)赞助Tokmak Energy多年期的研发资金,让该公司能够与美国国家实验室体系的核聚变专家们一起工作;该公司的球形托克马克设计ST40原型就是与美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory),以及普林斯顿电浆物理实验室(Princeton Plasma Physical Laboratory)的合作成果。英国政府也提供了一部分的研究奖助,作为该国先进模块化反应炉(Advanced Modular Reactor)行动计划的一部分。

 

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球形托克马克设计ST40的内视图。(图片来源: Tokamak Energy

核聚变能源

科学家最早意识到可以透过托克马克设计来达成核聚变条件,可追溯至1960年代;当时俄罗斯设计的T3 托克马克,达到了显著高于其他核聚变系统的电浆温度。

Tokamak Energy的共同创办人Alan Sykes在1980年代从事理论研究,证明改变托克马克的几何形状可以提升性能。结合经改良的球形托克马克,以及由HTS磁铁技术所提供的更好的磁局限(magnetic confinement),为核聚变商业化提供了一条具潜力的途径。

托克马克仰赖磁场来捕捉带电的电浆粒子,也让核聚变的燃料受限。HTS磁铁是由稀土──铜钡氧化物(copper barium oxide)──打造的厚度小于0.1mm的细条,将它们形塑成线圈,能够以更小的占位面积产生更强大的磁场。

Tokamak Energy正在与欧洲核子研究组织(European Organization for Nuclear Research,CERN)合作,共同开发可扩展到适合核聚变电力模块所需尺寸的HTS磁铁。该公司执行长Chris Kelsall表示,Tokamak Energy正在开发的核心技术有两种,即小巧的球形托克马克以及HTS磁铁,“这些技术对于实现商用核聚变至关重要。”

核聚变电力模块是设计用来产生500MV的热或150MV的电力,Tokamak Energy指出,商用核聚变能源需要把电浆加热到摄氏1亿度,目前他们正努力透过其ST40设计实现该目标。“如果成功了,Tokamak Energy将会是第一家成功控制电浆达成该关键里程碑的商业核聚变开发商;” Kelsall指出:“不过我们也相信,还有其他关键元素对于实现商用核聚变来说相当重要。”

ST40

ST40设计展现Tokamak Energy催生商用核聚变电力的企图心,该系统在第一年运转的时候达到了摄氏1,500万度,其目标是证实透过克服氘(deuterium)离子和氚(tritium)离子之间的排斥力,让它们足够靠近以产生核聚变,进而能够在摄氏1亿度下运作。如此一来,ST40就能成为首个能达到商用核聚变所需温度的私人资金开发核聚变系统。

而新电力转换器的测试结果,意味着系统的效率能够获得更进一步的改善。该公司提出了将HTS磁铁成本节省一半的方法,例如新的电源能够提供以低于1,000A连续运转,以及2,000A脉冲式运作的模式。Kelsall预期私人核聚变开发商将在2022年推动更多进展。

他指出,不久前在英国苏格兰Glasgow举行的2021年联合国气候变迁会议(Climate Change Conference,即COP26),“强调寻求可以取代碳密集石化燃料、能在全球部署之新一代洁净能源基本负载电力的急迫性。”

一旦商业化,核聚变能源将会是洁净、低成本、可靠、丰富且安全的。它提供全球社群一个转型的机会,以达到并维持净零排放的目标。而核聚变所扮演的关键角色也逐渐受到全球投资者社群注意,至2021年底已经有相当规模的股权基金投资挹注至核聚变私人企业。

该领域的崛起是因为越来越多投资人意识到,这类产业正处于为洁净能源转型带来显著贡献的绝佳位置;他们也在多样化的洁净技术投资组合中,寻求切入相关事业的机会。

“随着核聚变业者的技术取得进一步的发展,核聚变商业化竞赛预期会在2022年加快步伐;”Kelsalled总结,“在核聚变领域已经开发的应用,将会在诸如航天、工业与医疗照护等不同产业展现实质的跨领域商机。2022年将会看到公、私部门持续紧密合作,以实现核聚变可提供的庞大机会,这预示着未来的美好。”

许多与核聚变有关的立即工程挑战,主要是与磁铁技术有关。“该类磁铁必须有足够的力量容纳一团热物质,又不能消耗太多电力,使得控制核聚变反应炉的能耗超过它所能产生的电力;”Kelsall指出,“Tokamak Energy已经打造出自有的超导高温磁铁,能够对电浆施加巨大的压力,且不仅能用在核聚变的商业化,也进一步地应用在航天等领域。”

Tokamak Energy指出,核聚变是一种既不会产生长期放射性废弃物、又能够提供具成本竞争力能源的零碳排能源。由于核聚变所具有的安全性,厂址的要求不像传统的核能发电厂那么严苛,能部署于更靠近人口和产业中心的地方。精简的核聚变系统也具备较不昂贵、能快速建设和配置的优势,还能充分利用尖端的材料和技术。

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