科學網—英國向全球首座核聚變電站邁進

2021-01-09 科學網

 

英國球形託卡馬克的目標是在2040年啟動時產生50兆瓦的核聚變能量。圖片來源：英國原子能管理局

本報訊 12月2日，英國政府邀請全國各地的社區自願為核聚變反應堆原型選址，這將是第一個將電力投入電網的反應堆。這個名為「能源生產球形託卡馬克」（STEP）的項目於去年啟動，最初5年投入2.22億英鎊用於設計開發。負責監督這項工作的英國原子能管理局（UKAEA）表示，STEP最早可能在2032年開始建設，2040年開始運營。

據《科學》報導，「任何新設備都受到歡迎，因為它帶來了新的見解。」 歐盟核聚變項目EUROfusion負責人Tony Donné表示。他懷疑STEP不太可能被視為一個發電機。「我的印象是，它將更像是一個組件測試設施。」

建造第一座能夠產生過剩能量的核聚變反應堆的競賽正在世界各地展開。與核裂變驅動的核反應堆相比，核聚變燃料來源相對充足、輻射更輕微。

但作為一種實用的能源，核聚變仍然是一個遙遠的夢想，它需要數億攝氏度的溫度。為了防止熱等離子體接觸並熔化容器，工程師通常在環形託卡馬克周圍使用強大的磁鐵。但是沒有一個託卡馬克從核聚變中產生的能量超過加熱等離子體的能量。法國的ITER將於2025年完工，它將是第一個展示能量增益的裝置——這要到2035年之後才能實現。即便到了那時，核聚變能量也不會用於發電。

球形的STEP看起來更像一個帶核的蘋果，而不是甜甜圈。這使得等離子體更加穩定，因此操作人員可以在更小的設備中獲得更高溫度。球形託卡馬克由隸屬於UKAEA的卡勒姆核聚變能源中心（CCFE）率先推出—— 一種名為兆安球形託卡馬克（MAST）升級版的裝置。英國現在希望利用這一經驗開發STEP，目標是產生50兆瓦的電力。「STEP是MAST升級後的合理步驟。」 Donné說。

CCFE主任Ian Chapman說，小尺寸是球形託卡馬克的一個關鍵優勢，因為250億美元的ITER最大的成本是其巨大的磁鐵。Chapman說，由於投資成本低至數十億美元，因此，如果核聚變能電站與化石或可再生能源電站競爭，那麼STEP的成本將遠低於ITER的成本。

但Donné指出，球形託卡馬克也有缺點。在較小的器件中，熱的緻密等離子體對材料的要求更高，因此可能需要更頻繁地更換元件。此外，STEP也不太可能生產出氚（作為反應堆燃料的兩種氫同位素之一）。氚具有放射性，半衰期為12年，全球供應量很少。一個工作中的反應堆不得不通過在容器周圍添加鋰塊產生氚——核聚變反應產生的中子轟擊鋰便會產生氚。ITER將是首個展示氚產生的嘗試。Donné說，「STEP無法在如此短的時間內實現氚的生成」。

Donné還懷疑，推動這一步驟有政治因素。CCFE也是歐洲聯合環狀反應堆（JET）——目前世界最大託卡馬克的所在地，而JET的工作壽命即將結束。如果英國不與歐盟籤署貿易協議，那麼其作為ITER項目夥伴的未來也存在疑問。此外，CCFE還有競爭對手緊盯著它。英國初創企業Tokamak Energy公司正試圖在2030年前建造一個緊湊的球形託卡馬克用於能源生產。美國初創企業 Commonwealth Fusion Systems公司計劃在2025年前開始建造一個類似的可運行的反應堆。

不過，這對於那些想成為STEP所在地的社區來說並不重要，他們會把這看作是一種為所在地區吸引資金和工作的方式。他們必須在2021年3月前提出申請，並需要提供100公頃的土地，這些土地將經過地質適宜性、準入和其他標準的審查。UKAEA計劃在2022年底選擇一個地點。（文樂樂）

《中國科學報》 (2020-12-04 第2版 國際)

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