日期:2022/09/17   IAE 

Nuclear fusion promises a clean, green energy future 

這是一場與眾不同的核競賽，涉及數十億美元和來自全球的數百名科學家。

他們的目標既雄心勃勃，又具有紀念意義：複製為太陽系提供動力的能源，有效地建造一個迷你太陽——一個旋轉的過熱原子等離子體團，其溫度非常高，只能被磁場控制。

這個過程稱為核聚變。

科學家們相信，如果聚變技術能夠成功地被用作人類能源，它將有助於拯救世界免受未來的環境災難。

從願景到建設

就在法國南部港口城市馬賽外，一座名為 ITER 的巨型核聚變試驗設施正在進行中，該設施在拉丁語中意為“道路”。

它的建設是由 35 個國家之間的國際合作資助的，預計完工後將耗資 270 億至 360 億美元。

澳大利亞不是該財團的成員，但它確實與涉及 ANU 和澳大利亞核科學技術組織 (ANSTO) 的項目有研究關係。

“它被稱為世界上最大的科學工程項目，”ANSTO 的理查德加勒特說。

“這個場地有很多公頃。托科馬克本身——等離子體將被限制在其中的甜甜圈形腔室——只是巨大的，100,000 公里的超導電纜，因為它使用超導磁體盡可能緊密地限制這種等離子體。

“這大約是三四個埃菲爾鐵塔的鋼材。

“事實上，我認為世界超導線材的產量必須增加約 10 倍才能供應 ITER。”

聚變與裂變
傳統的核反應堆利用裂變過程產生的能量，裂變過程涉及分裂大原子的核。

另一方面，核聚變通過迫使原子聚集在一起以釋放能量來發揮作用。

英國物理學家大衛金厄姆說，聚變技術比其成熟的技術具有顯著的優勢。

未來時探索新思想和新技術。

“聚變的優點是：沒有熔化的風險——很容易安全地阻止它——不產生放射性廢物，並且燃料的能量密度非常高，”他說。

“在某些方面，聚變具有核裂變的所有優點，但沒有任何缺點，如熔化風險或長壽命放射性廢物。”

 

但該項目的初始階段存在問題。現場施工直到 2010 年才開始。即便如此，進展也很緩慢。

“我認為這從根本上告訴我們，這些國際合作很難實現，”加勒特教授說。

“五六年前，ITER 狀況不佳。為時已晚，預算超支。但該項目成立了一個新的董事會，他們確實讓事情朝著正確的方向發展。”

聚變與裂變
我們離擁有符合清潔、綠色法案的核電站還有多遠？我們解釋了不同的核技術是如何工作的以及研究的方向。

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室核聚變反應堆內部的圖片
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第一次等離子實驗現在預計將於 2025 年開始。

根據 Garrett 教授的說法，ITER 要被認為是成功的，它必須證明它可以實現 10 倍的能量增益。

“ITER 消耗 50 兆瓦的功率來產生 1.5 億度的等離子體，目標是從等離子體中產生 500 兆瓦的功率，”他說。

“第二個目標是能夠一次保持這種狀態很多分鐘，所以可能是 10 分鐘，最多一個小時，這就是穩態動力反應堆所需要的。”

規模和可管理性
ITER 並不是唯一正在進行的核聚變計劃。

在北美和英國，都有許多規模較小的項目。

其中之一涉及 Tokamak Energy 公司，其執行副主席是 Kingham 博士。

“我認為私人投資者可以看到這項業務的堅實科學基礎，”他說。

Tokamak Energy 尚未在其位於牛津郡的測試設施中產生聚變反應。

三名男子抬高人行道，看著一個似乎由金屬和銅製成的大型圓形機械裝置。
Tokamak Energy 的球形託卡馬克室 ST40。（提供：Tokamak Energy）
但這不是當務之急，Kingham 博士說。

該公司的研究人員正在使用一種球形託卡馬克室，他們希望該室比為 ITER 設計的環形託卡馬克室提供更高的效率。

目的是在聚變過程中提高等離子體溫度。

在裝有等離子體的球形託卡馬克裝置內可以看到藍光。
Tokamak Energy 的球形 ST40 託卡馬克內部的等離子體。（提供：Tokamak Energy）
“對我們來說，下一個重要的里程碑是達到 1 億攝氏度（攝氏度）的等離子體溫度，”金厄姆博士說。

之後，他們需要證明託卡馬克內的增強型超導磁體具有有效控制等離子體所需的強度。

Kingham 博士預計這兩個里程碑都將在明年年底前實現。

他說，該公司將需要籌集必要的額外投資，以在 2025 年之前快速跟踪小型聚變演示設備的開發，即 ITER 預計將在同一年開始其初始等離子測試。

英國原子能局也在尋求在設計自己的聚變反應堆方面超越 ITER。

UKAEA 研究合作項目名為 STEP，最近獲得了英國政府 4.3 億美元的投資。

EAST的金屬內部
被稱為“人造太陽”的中國實驗先進超導託卡馬克（EAST）內部。（提供：中國科學院等離子體物理研究所）
首相鮑里斯·約翰遜甚至在 12 月的選舉中將其作為他競選連任的一部分。

與 Kingham 博士一樣，STEP 的老闆 Howard Wilson 對 ITER 採取的方法持謹慎的批評態度。

“看起來，如果你獨自走這條路，你最終會得到一個非常昂貴的解決方案，無法在商業上部署，這就是為什麼我們熱衷於降低成本的創新，”他說。

他還同意 Kingham 博士的觀點，即重點開發高溫超導磁體是當務之急。

“如果你可以將你的設備的場強加倍，大大減小尺寸，它會變得便宜很多，但它可以產生相同的功率，”他說。

“這確實對技術的商業部署產生了影響。我們必須在石油、天然氣、煤炭和可再生能源方面具有成本競爭力。”

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