美国核聚变发电厂的路线图在某种程度上变得更加清晰
1104字
2021-02-21 11:49
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火星译客

在美国建造一座原型核聚变发电站的计划正变得越来越受到关注。目前一份新的报告列出了建造一座价值数十亿美元的核聚变发电站的大致时间表,以及设计和开发策略。根据美国国家科学、工程和医学科学院(NASEM)本周发布的一份报告,美国努力在2035年之前开始建设试点项目,并在2040年之前投入使用。为了满足这一紧迫的时间表,该报告呼吁美国能源部(DOE)资助两到四个团队,与私营企业合作,并在2028年前开发出几个不同的概念设计。

斯坦福大学名誉副校长威廉·马迪亚(William Madia)说:“这是可信和可行的,”。他经常批评能源部在核聚变方面所作出的努力不够。然而,忧国科学家联盟(Union of Concerned Scientists)的核能安全主管埃德温·莱曼(Edwin Lyman)指出这份报告里许多关键技术还处于技术成熟程度较低的状态,他对这些技术能否及时开发提出了质疑。莱曼说:“从字里行间可以看出,我并不认为这些时间表是现实的。”

这份长达91页的报告于2月17日发布,报告建议的时间表并没有反映出对完成某一特定设计研发所需时间的自下向上的评估。相反,它提出了一个自上而下的评估,即在2050年转向无碳能源时,他们希望将核聚变发电纳入其中,但不清楚核聚变发电何时才能可以商用。诺克斯维尔田纳西大学的核工程师布莱恩·沃斯说:“时间线实际上是由他们的投入决定的,”。Madia预测,如果到2035年核聚变还不可行,它将“错过火车”,被排除在未来的无碳能源组合之外。

美国核聚变研究人员对建造一个最终利用核聚变发电的原型电厂的热情一直在增长。这个想法出现在2018年NASEM的另一份报告中,该报告建议美国坚持对ITER的承诺,这是法国正在建设的大型国际聚变实验项目,但也准备不久后在国内建立一个试验工厂。2020年12月,美国核聚变研究人员在他们新的长期计划中采纳了这个试验工厂。

利用强磁场,ITER将捕获氘和氚(氢的重同位素)的等离子体,并将其加热到1.5亿摄氏度。这个实验的目的是证明氘和氚的核聚变可以产生比产生等离子体消耗更多的能量。该试验工厂将更进一步,产生足够数量的电力。

该提议的支持者说,建立一个试验工厂将使美国研究人员超越欧洲和亚洲的竞争对手,重新夺回核聚变研究的领先地位。此外,他们说,由于最近在用高温超导体制成磁铁、3D打印和计算机建模方面取得的进展,这个电厂可能比ITER小得多,也便宜得多。ITER高30米,耗资超过200亿美元。

试验工厂不会有压倒性的能量。这份新报告预计,它只能产生50兆瓦的电力,只有大型天然气发电厂发电量的百分之几。新报告的作者之一、DWR Associates LLC的工程师鲁普(David Roop)说,这足以让他了解这样一个电厂将如何与电网相互作用。他说:“这个至少50兆瓦的值可以让你测试你将电力转移到电网的能力。”该报告称,该试点电厂的成本不应超过50亿至60亿美元。该报告估计,公用事业公司愿意为接下来的第一个商业电厂支付的费用将达到50亿至60亿美元,后者将产生数百兆瓦的电力。

报告说,在建造任何试验工厂之前,必须克服几个重大的技术挑战。例如,如果该电站像ITER一样工作,聚变氘和氚(还有其他几种可能性),那么研究人员也必须开发一种方法,在反应堆周围特制的材料“毯”中培养更多的氚。否则,核电站可能很快就会消耗掉全世界全部的氚供应,而这些氚只来自某些核反应堆。如果覆盖层中含有锂,中子就会分裂其中一些原子核,形成更多的氚。但氚是一种受到高度管制的放射性物质,很难处理,莱曼质疑这样一个封闭的系统能否在2035年前开发出来。

关于时间表的争论反映了新的私营核聚变公司出现的紧张局势,这些公司可能会与能源部合作,发展他们已经有的想法。一些初创公司吸引了高科技亿万富翁的兴趣。例如,比尔·盖茨支持的联邦聚变系统公司(Commonwealth Fusion Systems)专注于使用由高温超导体制成的磁铁线圈,杰夫·贝佐斯支持的通用聚变公司(General Fusion)使用机械泵挤压和加热等离子体。这样的私人投资是Madia说他看好试点工厂的一个关键原因。“当比尔•盖茨(Bill Gates)和杰夫•贝佐斯(Jeff Bezos)这样的人参与进来时,他们会做一些有趣的事情。”

但莱曼认为,核聚变初创公司的前景远大于它们所能实现的。他担心,熟悉高科技经济的投资者可能会对资本密集型能源研究采取同样高风险的态度,而后者的宽容程度要低得多。在高科技经济中,失败可能不会致命。莱曼说:“他们认为,只要有一个想法,就能从这个想法中获得财富,而不需要实际去实现它。”开发核聚变反应堆“不是你在车库里就能完成的事情,所以你必须保持谨慎的心态。”莱曼还警告说,核聚变创业公司要求美国核管理委员会放宽安全要求的方式是不合理的。

美国能源部聚变实验室普林斯顿等离子体物理实验室主任史蒂文·考利说,这份报告呼吁建立公共和私人团队来设计试验工厂的各种概念。 考利说:“美国需要有一个自己的设计聚变反应堆的版本,以了解它是什么以及我们有多近。我认为这具有巨大的价值。” 

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