核聚變也要發(fā)電了？

雖然2011年日本福島核電站泄漏之后，很多人開始談核色變，但核能確實(shí)具有很多優(yōu)勢，核能發(fā)電不像化石燃料發(fā)電那樣排放巨量的污染物質(zhì)到大氣中，因此不會造成空氣污染。核能發(fā)電不會產(chǎn)生二氧化鈦。目前核能發(fā)電主要是利用核反應(yīng)堆裂變所釋放出的熱能進(jìn)行發(fā)電，而核聚變還很難控制用來發(fā)電。

聚變能聽起來似乎好的令人難以置信——零溫室氣體排放，沒有長久存在的放射性廢棄物，它是一種幾乎無限量的能源供應(yīng)。而采用聚變能面臨的最大障礙可能是經(jīng)濟(jì)學(xué)問題。核聚變發(fā)電設(shè)計(jì)還沒有便宜到可以取代現(xiàn)有的利用化石燃料，例如煤炭和天然氣的系統(tǒng)。美國華盛頓大學(xué)的工程師們希望改變這一現(xiàn)狀。

他們設(shè)計(jì)了一種概念核聚變反應(yīng)器，但它變成大型電廠的規(guī)模時(shí)，將可以與相似電量產(chǎn)出的燃煤火力發(fā)電廠所耗費(fèi)成本相當(dāng)。研究小組的核聚變反應(yīng)堆設(shè)計(jì)以及成本分析研究于去年春天被發(fā)表，它將在10月17日俄羅斯圣彼得堡召開的國際原子能機(jī)構(gòu)的聚變能會議上展示。

“就目前為止，這一設(shè)計(jì)具有產(chǎn)生非常經(jīng)濟(jì)的核聚變發(fā)電的巨大潛力。” 華盛頓大學(xué)的航空學(xué)教授和物理學(xué)副教授托馬斯•賈爾伯(Thomas Jarboe)這樣說道。華盛頓大學(xué)研究小組設(shè)計(jì)的這個(gè)名為dynomak的反應(yīng)堆始于賈爾伯兩年前帶的一門課的課堂項(xiàng)目。在課程結(jié)束后，賈爾伯和他的博士研究生德里克•薩瑟蘭(Derek Sutherland)——他之前在美國麻省理工學(xué)院做過反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的研究——繼續(xù)發(fā)展并修改了這一概念。

這一設(shè)計(jì)是建立在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，在封閉空間里創(chuàng)造了一個(gè)磁場從而保證等離子體停留足夠長的時(shí)間以引發(fā)核聚變的產(chǎn)生，使得炙熱的等離子體反應(yīng)并燃燒。反應(yīng)堆本身主要是自我維持的，這意味著它能夠持續(xù)的加熱等離子體以維持熱核條件。反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱將加熱用于旋轉(zhuǎn)渦輪機(jī)并發(fā)電的冷卻劑，這類似于典型原子動力反應(yīng)堆的工作原理。

創(chuàng)造一個(gè)磁場有好幾種方法，這對于維持核聚變反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行是至關(guān)重要的。華盛頓大學(xué)的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)被稱為球形馬克Spheromak(一種自組織的環(huán)形等離子體形態(tài))，這意味著它通過驅(qū)動電流至等離子體里就能夠產(chǎn)生大部分的磁場。這極大的減少了所需要的材料量，使得研究人員能夠縮減反應(yīng)堆的整體大小。

其它的設(shè)計(jì)，例如目前正在法國建造的實(shí)驗(yàn)性核聚變反應(yīng)堆項(xiàng)目國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)，它就比華盛頓大學(xué)的設(shè)計(jì)要大得多，因?yàn)樗蕾囉诃h(huán)繞設(shè)備外部的超導(dǎo)線圈提供相似的磁場。與法國的核聚變反應(yīng)堆概念相比，華盛頓大學(xué)的設(shè)計(jì)成本要低廉得多——大約是ITER的1/10——但同時(shí)產(chǎn)生的能量是前者的5 倍。

華盛頓大學(xué)的研究人員計(jì)算了使用他們的設(shè)計(jì)所建造的核聚變反應(yīng)堆發(fā)電廠所耗費(fèi)的成本，并與建造燃煤電廠的成本進(jìn)行對比。他們使用了名為隔夜資金成本的度量，后者包括所有的成本，尤其是初始基礎(chǔ)設(shè)施費(fèi)用。分析顯示一個(gè)核聚變發(fā)電廠產(chǎn)生 10億瓦特的電量需要耗費(fèi)27億美金，而一個(gè)燃煤電廠產(chǎn)生相同的電量需要耗費(fèi)28億美金。

“如果我們投資這種類型的核聚變，我們肯定可以獲得回報(bào)，因?yàn)檫@種商業(yè)反應(yīng)堆看起來已經(jīng)很經(jīng)濟(jì)，這真是令人激動不已。”而現(xiàn)在，華盛頓大學(xué)研究小組的概念只是實(shí)際產(chǎn)品大小和能量產(chǎn)出的1/10，因此還有很多年需要努力。目前研究人員測試了原型高效維持等離子體的能力，隨著他們不斷研發(fā)和擴(kuò)張?jiān)O(shè)備的大小，他們可以提升到更高溫度的等離子體并獲得更大的核聚變能量產(chǎn)出。

研究小組已經(jīng)在華盛頓大學(xué)商業(yè)化中心就反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)概念申請了專利，他們計(jì)劃繼續(xù)研發(fā)并擴(kuò)大原型的規(guī)模。研究小組的其他成員還包括物理學(xué)的凱爾•摩根(Kyle Morgan);航空航天學(xué)的艾瑞克•拉文(Eric Lavine)、米加•修斯(Michal Hughes)、喬治•馬克林(George Marklin)、克里斯•漢森(Chris Hansen)、布萊恩•維克托(Brian Victor)、邁克爾•普法夫(Michael Pfaff)和亞倫•海薩克(Aaron Hossack);電子工程學(xué)的布萊恩•尼爾森(Brian Nelson)以及前華盛頓大學(xué)的上川宇(Yu Kamikawa)和菲利普•艾德爾斯特(Phillip Andrist)。這項(xiàng)研究得到了美國能源部的資金贊助。