General Fusion 正在開(kāi)發(fā)一種實(shí)用的磁化目標(biāo)融合 (MTF) 方法

襲擊一些國(guó)家的極端天氣事件促使許多人質(zhì)疑氣候變化是否比以前惡化得更快。溫室氣體排放是氣候變化的主要驅(qū)動(dòng)因素，主要來(lái)自人類(lèi)活動(dòng)。當(dāng)燃燒化石燃料來(lái)發(fā)電和供熱時(shí)，CO 2 會(huì)釋放出大氣中的熱量并增加地球的溫度。因此，必須通過(guò)各種解決方案（例如使用清潔的可再生能源）來(lái)消除 CO 2排放。聚變能源是一種滿足凈零目標(biāo)的清潔能源

聚變是太陽(yáng)和恒星產(chǎn)生能量的方式。太陽(yáng)有一個(gè)極端具有導(dǎo)致氫原子碰撞和融合的溫度和壓力的操作環(huán)境。General Fusion 正在研究使用磁場(chǎng)的聚變能，并且正在與加拿大核實(shí)驗(yàn)室合作開(kāi)展一個(gè)旨在推進(jìn)聚變能技術(shù)的項(xiàng)目。通過(guò)此次合作，General Fusion 和加拿大核實(shí)驗(yàn)室將開(kāi)發(fā)用于商業(yè)聚變發(fā)電廠的氚提取技術(shù)。此外，英國(guó)原子能管理局 (UKAEA) 已宣布與 General Fusion 達(dá)成協(xié)議，將在英國(guó)建造其聚變示范工廠 (FDP)。在 Culham 建造新設(shè)施以舉辦 FDP 后，General Fusion 將與 UKAEA 簽訂長(zhǎng)期租約。FDP 將展示 General Fusion 的專(zhuān)有磁化目標(biāo)融合 (MTF) 技術(shù)， ?

General Fusion 首席業(yè)務(wù)發(fā)展官 Jay Brister 在接受《電力電子新聞》采訪時(shí)強(qiáng)調(diào)，私人聚變能源投資正在增加，迄今為止，對(duì)私人聚變公司的投資已超過(guò) 20 億美元。?

“世界各地的監(jiān)管機(jī)構(gòu)也在探索支持聚變能源所需的授權(quán)。聚變能源將使希望向凈零碳排放過(guò)渡以實(shí)現(xiàn)其氣候目標(biāo)的國(guó)家受益。聚變工業(yè)協(xié)會(huì)及其成員正在與政府機(jī)構(gòu)合作，為美國(guó)的商業(yè)聚變能源制定監(jiān)管框架。在英國(guó)，監(jiān)管視野委員會(huì)正在走類(lèi)似的道路，”布里斯特說(shuō)。

對(duì)聚變能研究和開(kāi)發(fā)的投資增加，促使人們更加現(xiàn)實(shí)地將這項(xiàng)技術(shù)視為提供充足和可靠電力的可行選擇。但仍然存在障礙，包括需要升級(jí)現(xiàn)有電網(wǎng)以支持日益多樣化的能源供應(yīng)組合。

“電網(wǎng)將隨著時(shí)間的推移而發(fā)展——尤其是隨著更多可再生能源的實(shí)施。聚變的優(yōu)點(diǎn)之一是能量密集且需要最少的土地使用。聚變能源發(fā)電廠還將減少對(duì)長(zhǎng)輸電線路的需求，因?yàn)樗鼈兛梢越ㄔ谀茉葱枨髞?lái)源附近，從而更好地利用土地，”布里斯特說(shuō)。

他補(bǔ)充說(shuō)：“電網(wǎng)走向的分配性質(zhì)——能夠提供一個(gè)規(guī)?？梢匝a(bǔ)充可再生能源組合的本地化和可調(diào)度來(lái)源將是關(guān)鍵。它將成為更廣泛的清潔能源組合的一部分?！?/p>

融合未來(lái)

可再生能源無(wú)疑是未來(lái)。聚變能源的支持者表示，他們的行業(yè)必須與太陽(yáng)能和風(fēng)能一起參與到減少排放和解決氣候變化的討論中。

“隨著世界尋求應(yīng)對(duì)氣候變化，全球能源供應(yīng)商正在升級(jí)其基礎(chǔ)設(shè)施以減少碳排放。強(qiáng)大的能源系統(tǒng)既需要穩(wěn)定的電力，也需要間歇性的電力。聚變能源按需提供且不受天氣影響，使其成為可再生能源的絕佳補(bǔ)充，”布里斯特說(shuō)。

無(wú)碳企業(yè)電力為減少排放和滿足未來(lái)幾年不斷增長(zhǎng)的電力需求提供了絕佳機(jī)會(huì)。Brister 說(shuō)，由于零排放和按需供應(yīng)，聚變能源可以取代舊的基礎(chǔ)設(shè)施或?yàn)樾虏块T(mén)供電。

“到 2050 年，電力需求預(yù)計(jì)將增長(zhǎng) 200%。聚變能源為公用事業(yè)提供了強(qiáng)大的發(fā)電組合，以滿足這一不斷增長(zhǎng)的需求，”布里斯特補(bǔ)充道。

圖 1：什么是 Fusion？（來(lái)源：General Fusion）

磁化目標(biāo)融合 (MTF)

電磁鐵是圍繞機(jī)械形狀纏繞的線圈。當(dāng)電流流過(guò)電線時(shí)，它會(huì)在線圈內(nèi)部和周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)。如果導(dǎo)線纏繞數(shù)次，磁場(chǎng)強(qiáng)度乘以使用的導(dǎo)線環(huán)數(shù)，并且可以增加。但是，銅線圈會(huì)對(duì)電流產(chǎn)生一定的阻力，并且會(huì)通過(guò)加熱來(lái)耗散能量。如果線圈短暫地打開(kāi)然后讓其冷卻，則電阻加熱是可以接受的。

超導(dǎo)磁鐵由鈮鈦合金制成，在冷藏時(shí)不抗電。這允許線圈在不散熱的情況下長(zhǎng)時(shí)間管理大電流。然而，鈮鈦等材料需要大型且昂貴的低溫冷卻系統(tǒng)才能運(yùn)行。

等離子體約束有多種方法，General Fusion 在脈沖基礎(chǔ)上使用帶有簡(jiǎn)單電磁體的磁化目標(biāo)融合 (MTF)，其中融合條件可以短暫地但在重復(fù)循環(huán)中實(shí)現(xiàn)。?

Brister 指出，在這種方法中，他們遵循以下步驟：

用液態(tài)金屬填充容器，旋轉(zhuǎn)金屬直到形成空腔。

將氫等離子體注入腔體。

等離子體被壓縮并加熱到超過(guò) 1 億攝氏度，并發(fā)生聚變。

“融合過(guò)程加熱液態(tài)金屬壁。在我們的商業(yè)試驗(yàn)工廠中，熱量將從金屬中提取并用于制造蒸汽。蒸汽將驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)——產(chǎn)生電力，”布里斯特說(shuō)。

在 MTF 中，電磁鐵用于等離子體注入器。噴射器產(chǎn)生一圈等離子體，并通過(guò)其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，將粒子云聚集在一起。在等離子環(huán)的短暫壽命期間，它被壓縮到應(yīng)該發(fā)生核聚變的溫度和壓力。?

等離子體粒子沿著磁場(chǎng)線流動(dòng)，現(xiàn)在磁場(chǎng)線在不接觸壁的情況下循環(huán)。通過(guò)這種方式，磁場(chǎng)可以防止熱聚變等離子體接觸液態(tài)金屬并冷卻。當(dāng)我們加熱等離子體核心時(shí)，磁場(chǎng)充當(dāng)了極好的熱絕緣體，使其比太陽(yáng)更熱。在此過(guò)程中，水箱壁保持足夠涼爽，可以作為發(fā)電廠的一部分發(fā)揮作用。

“MTF 有四大關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：材料耐用性、燃料生產(chǎn)、能量轉(zhuǎn)換和能源經(jīng)濟(jì)。

材料耐用性：液態(tài)金屬襯里保護(hù) MTF 結(jié)構(gòu)免受聚變反應(yīng)釋放的中子的影響，克服了面向等離子材料的結(jié)構(gòu)損壞問(wèn)題（也稱(chēng)為第一壁問(wèn)題）。

燃料生產(chǎn)：融合過(guò)程從用液態(tài)金屬填充罐開(kāi)始，旋轉(zhuǎn)金屬直到形成空腔。我們將氫等離子體注入腔體。我們使用高功率活塞將等離子體壓縮到聚變條件。高速數(shù)字控制管理和同步 500 個(gè)單獨(dú)活塞的時(shí)間。壓縮過(guò)程以毫秒為單位。當(dāng)液態(tài)金屬壓縮等離子體導(dǎo)致能量和氚釋放時(shí)發(fā)生聚變，這些能量和氚將被捕獲并用作燃料。

能量轉(zhuǎn)換：在 General Fusion 的商業(yè)試驗(yàn)工廠中，將從金屬中提取熱量并用于制造蒸汽。蒸汽將驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)并產(chǎn)生電力。這通常用于當(dāng)今的發(fā)電。

能源經(jīng)濟(jì)學(xué)：MTF 易于制造和擴(kuò)展，因?yàn)樗褂煤?jiǎn)單的電磁體并避免使用昂貴的激光器，”布里斯特說(shuō)。

該行業(yè)需要克服的最大挑戰(zhàn)之一是以具有成本效益的方式將聚變產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)移到能源網(wǎng)中?！白詮募幽么笪锢韺W(xué)家 Michel Laberge 博士在大約 20 年前創(chuàng)立該公司以來(lái)，克服這一挑戰(zhàn)一直是我們聚變能方法的核心。我們的 MTF 方法使用現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)，例如蒸汽動(dòng)力活塞，將等離子體壓縮到聚變條件。不需要在其他聚變方法中發(fā)現(xiàn)的奇異激光器或巨型磁鐵，General Fusion 的技術(shù)可以在商業(yè)聚變發(fā)電廠中經(jīng)濟(jì)地實(shí)施，”布里斯特說(shuō)。

圖 2：過(guò)熱等離子體是實(shí)現(xiàn)聚變能的關(guān)鍵（來(lái)源：General Fusion）

圖 3：技術(shù)人員正在研究 General Fusion 的磁化目標(biāo)融合技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵組件——壓縮系統(tǒng)（來(lái)源：General Fusion）

未來(lái)的計(jì)劃

“Fusion 比你想象的更接近，”布里斯特說(shuō)。

General Fusion 正在英國(guó)原子能管理局 (UKAEA) 的英國(guó)卡勒姆校區(qū)建造首個(gè)核聚變示范工廠 (FDP)，以確認(rèn) MTF 技術(shù)的性能和經(jīng)濟(jì)性。“通過(guò)這種方式，我們可以將其擴(kuò)展到商業(yè)試驗(yàn)工廠。為此，我們將在不發(fā)電的電廠相關(guān)環(huán)境中創(chuàng)造聚變條件。FDP 將產(chǎn)生中子，它產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將為我們提供建設(shè)發(fā)電商業(yè)試驗(yàn)工廠所需的信息。根據(jù)從 FDP 收集的數(shù)據(jù)，General Fusion 將設(shè)計(jì)和建造一個(gè)商業(yè)試驗(yàn)工廠。該設(shè)施是十多年發(fā)展的結(jié)果；它將經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的組件組裝到我們商用機(jī)器的縮放版本中。建設(shè)計(jì)劃于 2022 年開(kāi)始，并于 2025 年開(kāi)始運(yùn)營(yíng)。FDP 將在與發(fā)電廠相關(guān)的環(huán)境中創(chuàng)造聚變條件，而不產(chǎn)生電力。這是設(shè)計(jì)使然——我們將從 FDP 中汲取經(jīng)驗(yàn)來(lái)創(chuàng)建商業(yè)試驗(yàn)工廠。考慮到氣候變化的緊迫性，我們將在 2030 年代為家庭、企業(yè)和工業(yè)提供聚變能源，”布里斯特說(shuō)。?

幾十年來(lái)，聚變科學(xué)家一直致力于產(chǎn)生聚變反應(yīng)。從根本上說(shuō)，七十年的聚變發(fā)展和使能技術(shù)為近期商業(yè)化鋪平了道路。Brister 認(rèn)為以下幾點(diǎn)正在影響當(dāng)今聚變技術(shù)的進(jìn)步：

聚變科學(xué)進(jìn)展：
– 等離子體物理知識(shí)
– 高級(jí)仿真代碼
– 聚變理論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

成熟的使能技術(shù)：
– 先進(jìn)制造（3D 打印/復(fù)合材料）
– 計(jì)算能力和大數(shù)據(jù)分析
– 高速數(shù)字控制系統(tǒng)

投資（如介紹中所述）

目前有幾個(gè)聚變研究項(xiàng)目。Brister 指出，ITER 是一項(xiàng)長(zhǎng)期的跨國(guó)聚變研究計(jì)劃，旨在實(shí)現(xiàn)凈正能量生產(chǎn)并驗(yàn)證許多技術(shù)概念。“ITER 的使命是推進(jìn)聚變科學(xué)和等離子體物理學(xué)，而我們的重點(diǎn)是聚變的商業(yè)應(yīng)用，”布里斯特說(shuō)。

他補(bǔ)充說(shuō)：“MAST 和 STEP 是英國(guó)的國(guó)家核聚變研究項(xiàng)目，位于 UKAEA Culham 校區(qū)，General Fusion 正在那里建造其核聚變示范工廠。UKAEA 的 Culham Campus 是聚變能源開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新領(lǐng)域的世界領(lǐng)先者。這就是我們選擇在那里舉辦我們的 FDP 的原因。我們將受益于英國(guó)的融合供應(yīng)鏈活動(dòng)集群，以 UKAEA 全球公認(rèn)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和在該領(lǐng)域的存在為中心。

國(guó)際能源署預(yù)測(cè)低碳電力供應(yīng)的份額會(huì)增加。尤其是風(fēng)能、太陽(yáng)能和地?zé)崮軐慕裉斓?36% 增加到 2040 年的 52%。Fusion 是對(duì)間歇性可再生能源和電池存儲(chǔ)的絕佳補(bǔ)充。這些技術(shù)共同構(gòu)成了一個(gè)實(shí)用的能源組合，可以緩解氣候變化并推動(dòng)經(jīng)濟(jì)繁榮。

聚變能面臨的挑戰(zhàn)是如何以可控的方式在地球上創(chuàng)造可用于提供能量的條件。屬于太陽(yáng)的條件，它是無(wú)限能量的最終來(lái)源?？刂萍夹g(shù)和電源管理解決方案必須有效地執(zhí)行其功能才能在地球上復(fù)制這一過(guò)程。聚變能源有潛力創(chuàng)造一個(gè)更清潔、更安全的世界，General Fusion 正在開(kāi)發(fā)這項(xiàng)技術(shù)，以使其盡快可用。

審核編輯 黃昊宇