新型核聚變發(fā)電站設(shè)計(jì)的初步成果

球形STEP反應(yīng)堆可能依賴超導(dǎo)帶和連接式磁鐵實(shí)現(xiàn)。

近日，英國研究人員向全世界展示了他們的原型反應(yīng)堆設(shè)計(jì)方案，該反應(yīng)堆旨在證明核聚變能源的可行性，并計(jì)劃在21世紀(jì)40年代初實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。為了降低成本，“球形托卡馬克能源生產(chǎn)裝置”（STEP）可能會依賴由創(chuàng)新超導(dǎo)帶制成的電磁鐵，并且，其反應(yīng)堆容器和磁鐵可能采用連接式設(shè)計(jì)，以便更換磨損的組件。這些細(xì)節(jié)收錄在《皇家學(xué)會哲學(xué)匯刊A刊》特刊的15篇論文中。

美國麻省理工學(xué)院的丹尼斯 · 懷特（Dennis Whyte）表示，STEP是“核聚變競賽中一個(gè)非常重要的項(xiàng)目”。美國普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室（PPPL）的主任斯蒂芬 · 考利（Steven Cowley）也贊成這一觀點(diǎn)，并稱其“可能是最先進(jìn)的項(xiàng)目之一”。

迄今為止建成的所有核聚變反應(yīng)堆都是研究設(shè)備，旨在理解如何在數(shù)億度高溫下控制和約束翻騰的電離氣體或等離子體，以實(shí)現(xiàn)氫核的聚變。正在法國建設(shè)的國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）是一個(gè)龐大的國際項(xiàng)目，其目標(biāo)是證明核聚變反應(yīng)可以產(chǎn)生能源盈余。近年來，開發(fā)者們正計(jì)劃邁出下一步：建造一座試驗(yàn)發(fā)電站。風(fēng)險(xiǎn)資本家和富豪們正在為數(shù)十個(gè)這樣的項(xiàng)目提供資金支持。

相較之下，STEP則是由英國政府資助，并由位于卡拉姆的一座國家核聚變實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)，該實(shí)驗(yàn)室隸屬于英國原子能管理局（UKAEA）。英國政府為該項(xiàng)目提供了3億英鎊（約合28億人民幣）的資金支持，于2019年啟動了項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段，并于2022年選定了建設(shè)地點(diǎn)：位于諾丁漢郡西伯頓的一座退役燃煤發(fā)電站。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人保羅 · 梅思文（Paul Methven）表示，該項(xiàng)目目前正在與政府商談未來四年的資金支持，以最終確定設(shè)計(jì)方案。梅思文同時(shí)也是負(fù)責(zé)建造STEP的英國原子能管理局下屬英國工業(yè)核聚變對策公司的首席執(zhí)行官。盡管STEP項(xiàng)目是由上一屆的保守黨政府發(fā)起，但梅思文表示，該項(xiàng)目與新當(dāng)選的工黨政府所強(qiáng)調(diào)的經(jīng)濟(jì)增長及實(shí)現(xiàn)碳中和任務(wù)極為契合?！暗侥壳盀橹梗磺许樌?。”他說。

STEP的設(shè)計(jì)是最成功的反應(yīng)堆類型（托卡馬克）的一種變體。托卡馬克是一種被電磁鐵包圍的環(huán)形反應(yīng)堆容器，它負(fù)責(zé)容納等離子體，其他裝置則對其進(jìn)行加熱。但托卡馬克的發(fā)展趨勢是越做越大。ITER的托卡馬克裝置直徑超過19米，整個(gè)項(xiàng)目的成本可能超過250億歐元（約合1972億人民幣）。歐洲計(jì)劃的下一臺核聚變機(jī)器名為聚變示范電站（DEMO），其中的托卡馬克將會比ITER的更大。懷特認(rèn)為，這些昂貴的龐然大物會讓能源公司望而卻步。

為了降低成本，STEP的托卡馬克將采用球形設(shè)計(jì)——比起甜甜圈，它會更像一個(gè)去核的蘋果。該設(shè)計(jì)由英國原子能管理局卡拉姆實(shí)驗(yàn)室首創(chuàng)，已被證明可以穩(wěn)定等離子體，并使設(shè)備整體變得更小、更便宜。然而，在該設(shè)計(jì)中，要在狹窄的中央核心內(nèi)容納必需的磁體部件卻是一場挑戰(zhàn)。在近期發(fā)表的論文中，STEP團(tuán)隊(duì)描述了一臺直徑約9米、發(fā)電量高達(dá)200兆瓦的設(shè)備。

由于學(xué)界對球形設(shè)計(jì)的了解不如對傳統(tǒng)托卡馬克那樣充分，該設(shè)計(jì)也帶來了一些風(fēng)險(xiǎn)。目前運(yùn)行中的最大的球形托卡馬克是兆安球形托卡馬克升級版（MAST），其直徑只有約2.5米，而設(shè)備在規(guī)模放大時(shí)可能會產(chǎn)生不同的表現(xiàn)。STEP還希望借鑒普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室的國家球形環(huán)面實(shí)驗(yàn)升級版托卡馬克（NSTX-U）的經(jīng)驗(yàn)，后者與MAST升級版大小類似，但加熱功率更高。NSTX-U在2016年因磁體故障受損后已停運(yùn)8年。考利表示，NSTX-U的修復(fù)工作已接近完成，希望它能盡快達(dá)到與STEP目標(biāo)相差不遠(yuǎn)的等離子體條件。他說，一旦重新啟動運(yùn)行，NSTX-U“多半可以提供他們所需的大部分信息”。

與一些私營核聚變項(xiàng)目類似，STEP計(jì)劃使用鍍在金屬帶上的薄層高溫超導(dǎo)材料制造磁線圈。這種相對較新的技術(shù)尚未在核聚變反應(yīng)堆中測試，但應(yīng)該能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場并減少能耗。另一個(gè)尚未測試的概念是在磁線圈上安裝接頭，以便打開反應(yīng)堆容器并降低維護(hù)難度。在此前的所有托卡馬克反應(yīng)堆中，磁鐵都構(gòu)成了幾乎無法穿透的籠子，之間只留下小口供人進(jìn)出。這意味著任何維護(hù)工作，如更換內(nèi)壁，都需要花費(fèi)數(shù)年時(shí)間。STEP的接頭設(shè)計(jì)意味著反應(yīng)堆容器的上部可以像垃圾桶蓋一樣打開?！癝TEP是全世界第一批認(rèn)真對待這個(gè)問題的地方之一?！笨祭硎?。

梅思文表示，開發(fā)者正在評估約60種設(shè)計(jì)變體，最終配置尚未確定?！拔覀兡壳鞍l(fā)布的絕不是最終版本。”他說。

資料來源Science

本文作者丹尼爾·克拉里（Daniel Clery）畢業(yè)于英國約克大學(xué)理論物理學(xué)系，自1993年起便為《科學(xué)》雜志撰寫科學(xué)文章