日期:2022/07/17   IAE

慈善經濟 當今的聚變突破如何導致可再生能源的突破
核聚變被許多人視為清潔、可再生能源的聖杯。 儘管自 1920 年代以來就進行了研究，但科學家們尚未克服技術問題和這一有望在未來提供能源的過程的經濟性。

HOW TODAY’S FUSION BREAKTHROUGHS COULD LEAD TO BREAKTHROUGHS IN RENEWABLE ENERGY
Nuclear fusion is viewed by many as the holy grail of clean, renewable energy. Although studied since the 1920s, scientists have yet to overcome technological issues and the economics of this process that promises to deliver energy in the future.

 

然而，科學家們計劃在 2025 年啟動第一個聚變反應堆，該反應堆預計產生的能量超過運行它所需的能量。 這將證明為電網提供經濟上可行的替代貢獻者的概念。

到達那裡有很長的路要走。 核工程師 Chase Taylor 是愛達荷國家實驗室（一家核研究機構）的資深科學家。 他正在努力解決一些使商業上可行的聚變反應堆成為可能的問題。

聚變與裂變 Fusion versus fission

發電廠通過將機械能（例如將渦輪機的旋轉轉化為電能）來發電。這些工廠依靠化石燃料、核裂變或水力等可再生能源來轉動渦輪機。

裂變為當今的發電核反應堆提供動力。核裂變通過分裂原子釋放熱能。反應產生的能量加熱水，產生蒸汽來轉動渦輪機並最終產生電力。

裂變有很多優點。它提供非常可靠、低排放的能源，持久耐用，並且在所有能源中具有最低的年死亡率。眾所周知，先進的裂變反應堆系統可以進一步擴大其在更小封裝中的優勢，並具有比當前設計更強大的安全性能。

正如切爾諾貝利和福島的事件所表明的那樣，如果設計或管理不當，裂變反應堆系統可能會很危險。大型工廠的初始資本投資很高，如果不採取回收措施，其廢物需要很長時間的儲存。

核聚變反應堆的藝術渲染，它的溫度比太陽還高。
聚變是一個單獨的過程，是一種核反應，其中低質量的原子核聚變形成更重的原子核，同時釋放能量。它是太陽的動力。

聚變反應堆使用氫同位素氘和氚作為燃料。 （同位素是原子核中具有不同數量中子的化學元素的變體。）聚變燃料的供應實際上是無限的；氘可以在海水中找到，氚可以在與鋰接觸的聚變反應中產生。雖然它只含有一小部分元素，但聚變燃料充滿了我們的海洋，為我們提供了無限的燃料供應。聚變的另一個好處是聚變反應堆不會發生失控的災難性核事件，例如熔毀。

“這是不可能的。即使在最遙遠的可能性中，”泰勒說。 “這並不是說它被設計成安全的，這只是聚變的物理特性。簡單地說，如果出現任何問題，聚變反應就會停止。這實際上就是讓融合變得如此具有挑戰性的原因。”

但是融合有一些缺點。控制聚變反應已被證明是困難的。氫彈是基於不受控制的聚變反應。如果能夠以可控的方式逐漸釋放相同數量的能量，那麼聚變就可以實現它的承諾。

核聚變還會對核電站系統和一些放射性廢物造成輻射損傷，而且初期運營成本也會很高。

問題

聚變在等離子體中使用這些同位素，等離子體是一種對電場作出反應的流動氣體，就像熒光燈中的氣體一樣。聚變反應堆將這種氣體加熱到極高的溫度，並用磁鐵對其進行壓縮。

但是一些材料洩漏出來並撞擊在環形反應堆內部牆壁上的鎢裝甲瓦片上。聚變反應堆會產生中子，這些中子可以深入到牆壁中，並為氘和氚形成一條路徑。這是過程中的低效率和可能的安全問題。

泰勒說：“我們有興趣了解應該用作燃料的氘和氚中有多少會卡在鎢磚中，以及它們被困在鎢磚中的深度。”

從監管的角度來看，運營商被限制在設施中使用一定量的氘和氚。但這些同位素旨在用作能源。如果其中一些被卡在反應堆容器的壁上，氘和氚就不能用來產生熱量並最終產生電力。然而，它仍然計入運營商的監管限制。這是一個必須克服的效率問題。

“通過研究氘和氚穿透牆壁的程度和深度，我們可以更好地了解這個過程，”他說。

The problem

Fusion uses these isotopes in a plasma, a kind of flowing gas that responds to electric fields, like the gas in fluorescent lights. A fusion reactor heats that gas to extremely high temperatures and compresses it with magnets.

But some of the material leaks out and slams into the tungsten armor tiles that line the walls inside of the donut-shaped reactor. A fusion reactor produces neutrons, which can penetrate deep into the walls and create a pathway for the deuterium and tritium to follow. That’s an inefficiency in the process and a possible safety issue.

“We are interested in looking at how much of that deuterium and tritium, that should be used as fuel, is instead getting stuck in the tungsten tiles, and how deeply it is trapped in the tile,” Taylor said.

From a regulatory point of view, operators are limited to a certain amount of deuterium and tritium in a facility. But those isotopes are intended to be used as the energy source. If some of it is stuck in the walls of the reactor vessel, the deuterium and tritium aren’t available to create heat and eventually electricity. Yet it still counts against the operator’s regulated limit. That’s an efficiency issue that must be overcome.

“By studying how much deuterium and tritium penetrate the walls and how deeply, we can better understand this process,” he said.

有兩種標準技術可用於測量滲入牆壁的氚總量。一種是加熱瓷磚樣品並煮沸所有捕獲的氘和氚。科學家們使用四極質譜儀進行測量。但這並不能告訴你同位素被困在樣品中的深度。

第二種也是不太可用的技術是核反應分析。不幸的是，這僅限於幾微米的深度，鎢的深度在三到八微米之間。它看不到比這更深的東西。

“一些出版物估計，這種技術（核反應分析）會漏掉多達 90% 的氘或氚，”泰勒說。 “因此，在基於事故的情況下，基於這種技術，很難說到底有多少氘和氚被卡住了。”

泰勒找到了一種敏感的技術，讓他可以更深入地觀察樣本。

GD-OES
這就是輝光放電發射光譜法 (GD-OES) 發揮作用的地方。它測量樣品中存在的元素、濃度水平，當然還有材料滲入鎢磚的深度。

GD-OES 鑽入樣品中，表徵其成分並測量放射性物質的穿透深度。

“很少有技術甚至對氘和氚敏感，”泰勒說。 “但光學發射光譜是對其敏感的技術之一。而且這項技術還可以讓我們快速查看樣品中高達 100 微米的樣品，這遠遠超過了目前在聚變材料界被認為是標準的能力。”

它還有助於確定氘和氚是從背面流出、滲入瓷磚還是卡在中間。

“它本質上是為了管理聚變燃料循環，”他說。

會發生滲透。了解它的程度和深度可以讓科學家設計系統來解釋同位素的損失。

“如果氘或氚要滲透到第一層，那麼我們需要在其後面的第二層進行控制，”他說。

泰勒操作了一個線性等離子體裝置，模擬聚變反應堆中能量最高的部分。他使用該線性等離子體裝置將氘和氚植入鎢磚中。

“我們知道有多少氘和氚擊中了瓷磚，”他說。 “然後我們移除（瓷磚）並將其帶到輝光放電系統，測量實際卡在其中的數量，以及卡在的深度。”

他使用這些信息輸入模型，以便科學家可以推斷其他條件。它有助於建立一個數據庫，顯示在各種條件下材料滲透到牆壁中的水平。這些條件包括通量，或每秒有多少粒子撞擊瓷磚；溫度，範圍在 200 到 1,200 攝氏度之間；和氦濃度，這是聚變反應的副產品。

未來
一項名為 ITER（拉丁語意為“道路或旅程”）的巨大國際合作正在法國南部建造一座聚變反應堆。科學家設計反應堆是為了證明聚變作為一種大規模無碳能源的可行性。

ITER TokamakFusionReactor機器
藝術家對 ITER 聚變反應堆的演繹。
ITER 將是第一個產生淨能量的聚變裝置——當產生的總功率超過加熱等離子體所需的功率時。預計它將成為第一個測試融合技術商業生產所需的集成技術、材料和物理機制的聚變裝置。

合作者於1985年啟動了聯合實驗。ITER成員包括中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國。

“如果成功，那麼商業實體將開始開發自己的（聚變反應堆），”泰勒說。 “我們可能還需要幾十年的時間，還有發展和監管問題。”

融合之路
作為一名本科生，泰勒正在做與裂變相關的實習。

“我參加了一個關於融合的午餐研討會，真的，我的下巴撞到了地板上。在那之前我還沒有真正聽說過聚變。”

聚變科學的巨大復雜性吸引了他。

“我正計劃去讀研究生，第二年夏天我得到了融合方面的實習機會。那太酷了。”

泰勒獲得了核工程碩士和博士學位，他的研究重點是聚變材料。現在，他的未來將有助於確定地球的健康狀況。

發表於 2019 年 9 月 25 日