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新设计最终可以帮助融合力量更接近现实

2018-05-16
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磁体技术的进步使麻省理工学院的科学家能够为实用的紧凑托卡马克聚变反应堆提出新的设计方案。 / em

这是一个古老的笑话,许多聚变科学家已经厌倦了听到:实际的核聚变发电厂距离只有30年的时间 - 并且总是会这样。

但现在,最后,这个笑话可能不再是事实:磁铁技术的进步使麻省理工学院的研究人员能够为一个实用的紧凑托卡马克聚变反应堆提出新的设计 - 而且这个设计可能会在短短十年内实现,他们说。实际融合能力的时代,可能会提供近乎取之不尽的能源资源,可能即将到来。

使用这些新的商业化超导体,稀土钡铜氧化物(REBCO)超导带来生产高磁场线圈“在整个设计中绽放,”核科学与工程教授兼麻省理工学院院长Dennis Whyte说。等离子体科学和融合中心。 “它改变了整个事情。”

更强的磁场可以产生超级等离子体所需的磁约束 - 即聚变反应的工作材料 - 但比以前预想的要小得多。反过来,尺寸的缩小使得整个系统的成本更低,构建速度更快,并且还允许在电厂设计中采用一些巧妙的新功能。在由Whyte,博士候选人Brandon Sorbom和麻省理工学院的其他11人共同撰写的杂志“融合工程与设计”杂志的一篇论文中描述了使用被广泛研究的托卡马克(甜甜圈形)几何结构的反应堆。这篇论文最初是作为怀特教授的设计课程开始的,并在课程结束后成为学生主导的项目。

电厂原型

新型反应堆专为融合基础研究而设计,同时也是潜在的原型发电厂,可产生巨大能量。该团队说,基础反应堆概念及其相关要素是基于麻省理工学院和世界各地几十年来研究开发的经过充分测试和验证的原则。

“更高的磁场,”Sorbom说,“可以让你实现更高的性能。”

融合是为太阳提供动力的核反应,它涉及将氢原子对融合在一起形成氦气,伴随着巨大的能量释放。困难的部分一直限制超级等离子体 - 一种带电荷的气体 - 同时将其加热到比恒星核心更热的温度。这是磁场非常重要的地方 - 它们有效地将热量和粒子捕集在设备的热中心。

虽然系统的大多数特性倾向于与尺寸变化成比例地变化,但是磁场变化对聚变反应的影响更加极端:根据磁场增加的四次幂,可实现的聚变功率增加。因此,将场加倍会使聚变能力增加16倍。 “任何磁场的增加都会给你一个巨大的胜利,”Sorbom说。

十倍提升力量

Sorbom表示,虽然新型超导体的场强并未增加一倍,但与标准超导技术相比,它们的强度足以将聚变功率提高约10倍。这种戏剧性的改善导致反应堆设计的一系列潜在改进。

世界上最强大的计划核聚变反应堆,预计耗资约400亿美元,这是一种名为ITER的巨大设备,正在法国兴建。 Sorbom和麻省理工学院的团队估计,新设计的ITER(其设计是在新型超导体可用之前设计的)的直径的一半左右,将以相当的成本和更短的施工时间产生大约相同的功率。

但是,尽管尺寸和磁场强度存在差异,但所提出的ARC反应堆基于与ITER“完全相同的物理学”,Whyte说。 “我们不是推断一些全新的制度,”他补充道。

新设计的另一个重要进展是从环形反应堆中取出聚变能量芯的方法,而不必拆卸整个装置。这使得它特别适合进行旨在通过使用不同材料或设计来微调性能来进一步改进系统的研究。

此外,与ITER一样,新型超导磁体可使反应堆以持续方式运行,产生稳定的功率输出,与目前的实验反应堆不同,该反应堆一次只能运行数秒,而不会使铜线圈过热。

液体保护

另一个关键优势是用于围绕这些反应器中的熔合室的大部分固体覆盖材料被易于循环和更换的液体材料代替,因为随着时间的流逝材料降解,不需要昂贵的更换过程。

怀特说:“对于[固体]材料来说,这是一个极其恶劣的环境,因此用液体替换这些材料可能是一个主要优势。

目前,按照设计,反应堆应该能够产生大约三倍的电力以保持电力运行,但是设计可能可以改进以将该比例增加到大约五六倍,Sorbom说。迄今为止,没有任何一个聚变反应堆能够产生尽可能多的能量,因此这种净能源生产将成为聚变技术的重大突破。

他们说,这个设计可以生产一个反应堆,为约10万人提供电力。他们说,在大约五年内建成了类似复杂性和规模的设备。

“融合能源肯定是22世纪地球上最重要的电力来源,但我们需要更快地避免灾难性的全球变暖,”英国托卡马克能源有限公司首席执行官David Kingham说,与这项研究没有关系。 “这篇论文展示了一个加快进步的好方法,”他说。

Kingham说,麻省理工学院的研究表明,进入麻省理工学院专业的更高磁场可以导致更小的(因此更便宜,更快的构建)设备。“这项工作具有”卓越的品质“,他说; “下一步......将是完善设计并制定出更多的工程细节,但工作应该引起决策者,慈善家和私人投资者的注意。”

该研究得到美国能源部和国家科学基金会的支持。

出版物:B.N. Sorbom等人,“ARC:具有可拆卸磁体的紧凑型高场核聚变科学设施和示范电厂”,Fusion Engineering and Design,2015; DOI:10.1016 / j.fusengdes.2015.07.008

资料来源:麻省理工新闻David L. Chandler