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英国推进核聚变,有意外也有惊喜

2020-01-03 19:24

[据国际核工程网站2017年4月24日报道] 英国卡拉姆聚变能研究中心(CCFE)的兆安球形托卡马克设施将获得2100万英镑资金,升级等离子体排出系统。该升级工作可使核聚变研究人员提高对等离子体排出物理学的了解,预计将于2017年晚些时候开始启动。欧盟核聚变联盟已批准投资2100万英镑计划的第一阶段,加强MAST升级。该资金由EUROfusion与英国工程和物理科学研究委员会共同提供,从现在到2020年分阶段拨款。CCFE表示,有了这些资金,MAST升级在未来几年将获得“无可匹敌的能力”。这些资金将用于使托卡马克等离子体热功率从5 MW增加到10 MW;安装用于偏滤器的冷冻设备,以及改进等离子体加料系统;升级等离子体控制硬件和软件,并额外增加等离子体排出数据的测量设备。同时,托卡马克能源公司强调聚变能对英国新型工业战略的贡献,以及政府政策支持其快速发展和大规模商业部署的方式。

受英国原子能机构的邀请,2013年4月14日—19日,龚敏和唐昌建两位教授参加了由四川大学、核工业西南物理研究院、中国科技大学和中科院合肥等离子体物理研究所组成的中国核聚变能代表团对英国卡拉姆聚变中心(Culham Centre for Fusion Energy, CCFE;www.ccfe.ac.uk)和约克大学(The University of York, www.york.ac.uk)物理系及等离子体物理研究所进行了访问。在CCFE, 双方组织了20个报告介绍各自的研究和发展,在学术和技术,装置的建设和发展中的各种问题以及人才交流等方面进行了广泛而深入的讨论,双方还在MAST和JET两个装置现场进行了技术交流,CCFE组织10余个部门的技术负责人全程参加了为期两天半的交流活动。院长龚敏教授在CCFE针对学院参加ITER计划的情况和取得的成果作了报告。在约克大学,双方除了在ITER相关方面进行了学术交流以外,还在教学方面作了交流,讨论了学生交换计划和联合培养等相关问题。

“苹果”能否重塑聚变未来

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正在法国建造的国际聚变反应堆ITER将有10层楼高,重量是埃菲尔铁塔的3倍,并且将花费其7个国际合作伙伴超过180亿美元。作为数十年设计的成果,ITER最早将在2027年产生聚变能。同时,在像ITER一样的电厂将电送入电网前,还将有几十年的时间。可以确信的是,一定有更加快速和成本更低的路线产生聚变能。

10月3日,英国政府宣布将投资2.2亿英镑在2024年前完成聚变电站的概念设计,并于2040年前建成,项目取名为“能源生产用球形托卡马克”。10月11日,英国《自然》杂志报道了这一新闻,指出英国政府近日宣布,将投资2亿英镑,用来预研全球首个商用聚变发电厂,希望到2040年实现聚变能源的商业化。

聚变能的狂热者对于达到恒星般的温度或实现使氢原子核在一个产生能量的联合体中聚集所需的压力有着一系列计划。一些是主流的,比如激光器,一些则是非正统的。不过,形似甜甜圈、被称为托卡马克的容器仍是占主导地位的聚变策略,并且是ITER的基石。托卡马克装置旨在利用磁场控制超高温等离子体。然而,即使在托卡马克中间,一种更加灵巧的替代方案也出现了:球形托卡马克。

这个消息对聚变能源研究的行业内部人士来看,既有意外,又有其合理性,同时也是一种惊喜。意外和惊喜在于,甚至3个月前,连该项目的负责人都未料到能得到这么大的支持,并且这么快。合理在于,全球聚变能源研发进入了新的热潮期,各国竞争激烈,期望第一个获得这一终极能源的“圣杯”。

想象一下传统托卡马克的甜甜圈形状鼓起来,变成一种更像去核苹果的形状。该想法的倡导者认为,这种简单的改变有可能打开同ITER前景相匹配的聚变发电厂之路,同时无须庞大的规模。目的是让托卡马克更小、更快,并且成本更低,从而减少发电的最终成本。在英国阿宾顿卡拉姆聚变能研究中心领衔托卡马克研究的Ian Chapman表示。

英国此次宣布的路线是采取球形托卡马克方案。所谓的球形托卡马克是一种低环径比的托卡马克装置。从形状上看,传统托卡马克像轮胎,而球形托卡马克更像是去了核的苹果,因此它比传统托卡马克更紧凑。的确,与传统托卡马克相比,球形托卡马克具有高磁压比的特点。磁压比是指等离子的压强与磁场的压强的比值,值越大代表维持同样的聚变等离子体温度、密度需要的磁场越小,从而维持磁场用的线圈耗能更小、更经济,更有希望实现商业化聚变能源。

卡拉姆是将对这些魁梧的托卡马克装置开展大型测试的两个实验室之一。全球两台第一流的机器位于美国普林斯顿大学等离子体物理实验室的国家球形环测试和位于卡拉姆的兆安球形托卡马克正在升级中。它们将拥有更强大的磁体和更强有力的加热系统。很快,它们将开始启动,将氢加热到非常接近产生聚变能所需的温度。如果两者进展顺利,下一个要建造的大型托卡马克将有可能是球形的。

但与此同时球形托卡马克的研究尚并不充分,风险也更大,是否能达到商业聚变的目标尚有许多不确定性。STEP项目采用这一技术路线,也符合英国在球形托卡马克研究上的坚实研究基础。全球第一个球形托卡马克装置START就是1990年在英国建成的,并首次验证了该位形的高磁压比等优良特性。目前全球两个最大的球形托卡马克之一的兆安培球形托卡马克,就在英国的卡拉姆聚变能源中心,另外一个是美国普林斯顿等离子体物理实验室的国家球环实验。此外,英国的聚变私营企业托卡马克能源公司的方案也是基于球形托卡马克,并建造有ST40装置,该公司核心人员也是来自卡拉姆的团队。

从卡拉姆分拆出来的一家小公司甚至正在下一个希望渺茫的赌注,即它会拥有一个所产生能量超过其消耗能量的球形托卡马克反应堆,并且在10年内得以运行。如果成功了,球形托卡马克将改变聚变的未来远景。这将令人兴奋。约克大学约克等离子体研究所所长Howard Wilson表示,球形托卡马克是这个领域的后起之秀,但仍有一些重要问题需要弄个水落石出。

图一 位于英国卡拉姆聚变能源中心的兆安培球形托卡马克装置MAST,该装置大半径0.9米,小半径0.6米,中心磁场0.55特斯拉,加热功率5兆瓦,等离子体电流1.3兆安培

掌控等离子体

图二 托卡马克能源公司的ST40球形托卡马克装置,在2018年的实验中宣称温度达到了1500万度

托卡马克以一种巧妙的方式控制人类曾捕捉到的最放荡不羁的物质之一,即利用足够热的等离子体维持聚变。为使原子核相互撞击并且发生聚变,反应堆必须达到太阳核心温度的10倍,约1.5亿摄氏度。得到的是稀薄的电离气体,而后者能汽化所接触到的任何物质,因此它们必须被固定住足够长的时间用于聚变,从而产生大量有用的能源。

受英国脱欧的影响,近年英国聚变研究经费一直不稳定。STEP项目的出现比较特殊,可谓是7月底上任的新首相鲍里斯约翰逊在8月份参观卡拉姆聚变能源中心后一力促成。英国政府的大力支持,甚至导致在10月初政府宣布2.2亿英镑的预研经费时,STEP项目尚无方案细节。由于该项目依然由卡拉姆聚变能源中心作为负责机构,猜测该方案会以其原有的START、MAST两个装置作为基础进行设计,以使得装置性能参数从原来的实验装置再大幅提升到能作为能源产生的装置。

托卡马克装置利用磁体尝试实现这个看上去不可能的任务。磁体能固定并控制等离子体,因为它是由带电粒子构成的。一系列复杂的电磁体环绕形似甜甜圈的容器,其中一些是水平方向上的,一些是垂直的。一个被称为螺线管、紧紧缠绕在一起的电线圈向下穿过甜甜圈的洞。这些组合起来的磁场将等离子体挤向管子中心,使其在环绕线圈的同时缓慢地作螺旋式扭动。

目前,由于科学家的推动、公众的期待、政治家和商业投资人的支持等多方面因素,全球聚变能源进入新一轮研究热潮。事实上,此次英国政府宣布“拟建全球首个商用聚变发电厂”,也不是第一个这样宣称的。除了国际热核聚变堆ITER项目外,中国也在推出自身更进一步的聚变路线,并已经在预研中国聚变工程试验堆CFETR。CFETR采取I期工程验证,II期示范验证,最终建造聚变电站的三步走路线,是全世界第一个有完整细节的定位超过ITER项目的聚变研究计划。

不过,等离子体很难被掌控。将其困住就像试图用手挤压气球:它总是在你的手指间鼓起。等离子体变得越热,就会有更多受磁场约束的气体膨胀、扭动并且试图逃逸。过去60年的大部分聚变研究都聚焦在如何控制等离子体上。

图三 中国磁约束聚变发展技术路线图,LiWan, Journal of Fusion Energy, 2018

产生并且维持聚变所需的足够热量是另一项挑战。等离子体在托卡马克周围激增时产生的摩擦会提供部分热量,但现代托卡马克还发射微波和高能粒子。在尽可能快地提供热量的过程中,热量也会被耗尽,因为湍流等离子体中最热、移动最快的粒子会从高温核心以旋涡状逃向较冷的边缘。任何控制系统都将出现轻微的渗漏,并且将失去粒子。Wilson表示。

除此之外,全球范围内有越来越多聚变私营企业入局,都从不同的角度宣布了自己的路线图,比如较大的有美国的TAE技术(TAE Technologies,原名“三阿尔法能源”)公司、联邦聚变系统、洛克希德马丁公司,加拿大的通用聚变公司,英国的曙光聚变公司及前文提及的托卡马克能源公司等等。另外值得一提的是中国的新奥集团于2018年对外宣布将开展紧凑型聚变研究,目标是力争在未来三十年内实现聚变能源商业化。这是国内第一家研究聚变能源的私营企业。新奥于今年8月建成并放电了“玄龙-50”,这也是一座球形托卡马克装置。中国另一个在运行的较小的球形托卡马克是2002年在清华大学工程物理系建成的SUNIST“中国联合球形托卡马克”。

对不同大小和结构的托卡马克进行的研究总是指向相同的信息:为控制等离子体并使其保持高温,托卡马克装置越大越好。在一个更大的体积内,高温粒子为了逃逸不得不穿越得更远。目前,最大的托卡马克位于卡拉姆的8米宽欧洲联合环形加速器在1997年创造了聚变能量的纪录,在数秒内产生16兆瓦能量。对于大多数聚变研究者来说,ITER是合乎逻辑的下一个目标。它有望成为第一台实现能量增益的机器,即输出的聚变能超过输入的加热能量。

聚变反应作为能源的概念可行性在上世纪三十年代就已经比较明确,人类现在使用的化石能源、太阳能、水能、风能等绝大部分的能源,本质上都是来自太阳作为恒星的聚变能。人类已经在上世纪五十年代实现基于核聚变的武器氢弹,它是一种不可控的巨大能量释放装置。人类近六十多年来一直期望能实现一种可控的、经济的、源源不断放出聚变能量的能源装置。这需要采取三步走的路线,第一步实现科学可行性,即建造的装置聚变产生的能量要大于维持装置运行所输入的能量;第二步是验证工程可行性,即建造的装置在持续放能过程中能稳定运行;第三步是实现商业可行性,即聚变发电的成本足够低,具有足够的经济性。上世纪九十年代末,美国的TFTR、英国的JET和日本的JT60,三个托卡马克均接近了聚变科学可行性的临界值Q=聚变输出能量/输入能量≈1,放出的能量功率超过10兆瓦,一般认为已经验证了科学可行性。正在法国建造,耗资预计超过1000亿人民币,预计2025年放电的目前全世界最大的聚变装置“国际热核聚变堆ITER”将进一步大幅提高聚变温度、密度和约束时间等参数,对聚变能源的工程可行性的部分目标进行验证。

球形托卡马克兴起

人类在地球上试验过的聚变方案已经有几十种,大部分都达不到科学可行性,这也是许多人提出的加速器对撞方案或者地下车库做的静电约束方案并不引起主流聚变科学家特别关注的原因。托卡马克是目前潜在作为聚变能源的装置中性能表现最好的方案。在商业化的道路上,托卡马克方案最大的挑战并不在于等离子体约束性能的提升,而是来自于氘氚聚变。氘氚聚变是最容易发生的聚变反应,反应截面大,需要的温度也低,只需要一亿度左右,但有两个大问题:一,会产生14兆电子伏特的高能中子,目前没有任何材料能够防护,这导致聚变装置不可能小;二,氚的半衰期只12年,大自然没有天然的氚,需要额外的办法去增殖。CFETR会采取厚度超过1米的包层来防护高能中子及进行氚增殖。无中子的先进聚变反应也是聚变科学家在持续研究的方向。比如氢硼聚变就有原材料丰富、无中子等优点。当然,缺点是难度比氘氚聚变大许多,比如温度需要二十亿度以上。这些挑战是包括STEP在内的所有商业聚变装置所需要应对的。

上世纪80年代,一个来自田纳西州橡树岭国家实验室的团队研究了简单的形状改变如何影响托卡马克的表现。他们关注的是环径比,即把整个托卡马克的半径和真空管的直径相比。他们的计算表明,使环径比变得很低从而将托卡马克基本上变成中间有个狭小通道的球体,能有很多优势。

相较于目前已经实用的核裂变能源,核聚变能源的优点在于原料丰富、无核泄漏风险。因为它需要极高的温度,一旦装置发生泄漏,温度会降下来,反应自动停止。它可以说能够终极解决人类的能源问题、环境问题,甚至人类的和平问题。部分人担心聚变实现后,放出的能量过大,地球会因为热岛效应而崩溃。这个担心是多余的,因为人类消耗的能量能比太阳照射到地球上的能量相当后,早就能实现星际旅行,移民到其他星球。可控核聚变能源是人类星辰大海的梦想的重要保障,这也是几代科学家们研究了几十年依然要研究下去直到实现的源动力。

橡树岭的研究人员预测,在一个球形托卡马克的中心洞附近, 粒子会享受到异乎寻常的稳定性。磁场线在中心柱附近紧紧缠绕在一起,使粒子在回到外表面前能在那里保持更长的时间,而不是像传统托卡马克装置中磁场线在管子附近懒洋洋地作螺旋式移动。等离子体的D形横截面还有助于抑制湍流,从而改善能量控制力度。不过,这种设计有一个现实问题。球形托卡马克狭窄的中心洞并未给需要安装在那里的仪器留出足够空间。1984年,来自橡树岭的Martin Peng提出一个完美的、节省空间的解决方法:将众多垂直环形磁体用沿着反应堆中心共享单一导体的C型线圈替代。

为了人类这个伟大的梦想,科学家、公众、政治家、企业家等各行各业的人的支持是必不可少的。与美国政府对聚变研究的态度的反反复复相反,英国政府此次对聚变的超预期支持有更多正面启示。聚变研究对中国的意义也非常巨大,除了因为中国能源短缺外,还因为一旦可控核聚变发电在中国首先成功,中国将无可置疑的重新成为了人类文明发展的领导者。中国于2006年加入ITER项目后这十几年在聚变研究方面进步极快,已经从跟跑实现了并跑和部分领跑,国内聚变行业的领导者非常有信心在未来实现全面领跑。聚变的研发也有许多“副产品”,它带动了许多产业的发展,比如机械精密加工、超导磁体,甚至国防。

当时,美国聚变研究资助非常缺乏,因此橡树岭无法建造球形机器测试Peng的设计。有些国外实验室则将一些设计用于其他目的的小型设备转变成球形托卡马克,而首个真正的样机于1990年在卡拉姆实验室建造。这个被称为小型低环径比托卡马克的设备很快实现40%的环向比压,这是任何传统托卡马克所能达到的3倍。它的稳定性也超过传统机器。其他实验室竞相建造小型球形托卡马克,一些甚至位于在聚变研究领域并不出名的国家,比如澳大利亚、巴西、埃及、哈萨克斯坦、巴基斯坦和土耳其。

从5年的预研经费投资2亿英镑来看,STEP装置预期总投资会比国际合作的ITER项目和中国的CFETR项目少,不算多也不算少。ITER项目及CFETR项目,投资均在1000亿人民币级别。目前最大的聚变私营企业TAE技术近十几年总共从风险投资获得的经费接近50亿人民币。相较于聚变能源的巨大前景,这些投资并不算大。对于“聚变能源实现还有三十年,并且永远是三十年”这一调侃,有观点认为,“聚变能源在人类真正需要它的时候就能实现”。

Chapman表示,下一个问题是我们能否建造一台更大的机器并获得相似的性能。位于普林斯顿和卡拉姆两地的机器正是为回答这个问题而建造。NSTX和MAST都在1999年建成,两者均能约束3米左右的等离子体,这约是START的3倍但只有JET的三分之一。两者的表现证明,START取得的成绩并非是一次性的:它们再一次实现约40%的环向比压,同时不稳定性减小,约束力更好。

目前,两台机器正迈向下一个阶段:实现更高的加热功率,使等离子体温度更高、磁体更强有力,从而更好地约束等离子体。现在,MAST还未被完整组装起来。空的真空管看上去像一个巨大的锡罐,上面装饰着舷窗。价值3000万欧元的新磁体、泵、电源和加热系统正在准备中。在普林斯顿大学,技术人员正在对耗资9400万美元的NSTX磁体和中性束加热系统的类似升级进行收尾工作。像大多数实验室托卡马克一样,这两台机器并不是为了产生大量能量,只是学习如何在像聚变一样的条件下控制并约束等离子体。

5年内获得聚变能增益

在未来的发电厂中,一种吸收中子的材料将捕获高能中子,将其能量转化为热量,从而驱动蒸汽涡轮发动机发电。不过,20%的反应能量会直接为等离子体加热。现代托卡马克通过将磁场变成排气管状去除热量。这种偏滤器能吸收一些最外层的等离子体,并将其抽走。升级后的MAST拥有灵活的磁体系统,研究人员可以尝试不同的偏滤器设计,从而寻找能解决热量问题的最好方案。

同时,聚变研究者们很快将不得不建造反应堆测试未来发电厂的组件能否承受高能中子多年的轰炸。这正是在欧洲被称为部件实验装置的目标之一。Chapman表示,建造CTF是绝对有必要的。不过,CTF的设计还没有确定,但球形托卡马克的支持者认为,他们的设计为这种测试平台提供了有效路径,因为其建造和运行都相对紧凑和廉价。

随着ITER建设耗费掉全球大多数聚变研究预算,上述前景将不会很快得到测试。不过,一家公司希望从零开始,在10年内建造一个小型发电球形托卡马克。2009年,一群来自卡拉姆的研究人员创建了一家名为托卡马克解决方案的公司,旨在建造作为中子源的小型球形托卡马克用于研究。随后,该公司的一家供应商向其展示了一种由高温超导体钇钡铜氧制成的多层导电带材,有望实现性能的极大提升。

超导体没有电阻,因此由其制成的电磁铁能产生比传统铜磁体更强有力的磁场。ITER将采用低温超导体,但这在大规模冷却上花费颇高。高温材料用起来成本较低,但被认为在承受托卡马克附近强大的磁场时不够稳定,直至新的超导带材出现。为此,公司改变了方向,被重新命名为托克马克能量,并且正在测试不超过一人高的第一代超导球形托卡马克。

明年,公司将组装一台稍大一些的机器,其产生的磁场将是NSTX升级后的两倍。如果获得投资者的许可,下一步将建造一台比NSTX稍小但产生的磁场是后者3倍的机器。公司CEO David Kingham表示:我们想在5年内获得聚变能增益。这就是我们面对的挑战。

Wilson认为,这是一种高风险的方法。他们就像在买彩票。如果赢了,那很了不起。如果输了,公司有可能会消失。不过,即使没有成功,我们也将从中吸取教训。它将加速聚变项目的进行。

而这种精神,对于试图重塑聚变未来的每个人来说,都再熟悉不过了。

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