“人造太阳”背后的技术挑战
2013-01-31   来源:科技日报  浏览次数:

  据《科学》杂志网站近日报道,欧盟负责聚变研发工作的机构——欧洲聚变发展协会(EFDA)发布了欧盟聚变示范电站(DEMO)设计与开发路线图,计划于2050年建成一座未来可供工业界使用的原型聚变电站。该路线图列出了一份令人生畏的技术清单,其中包括全球聚变科学家和工程师未来数十年需要努力应对的若干技术挑战。

  ITER将是聚变发电的主要突破

  2006年,由中国、欧盟、印度、日本、俄罗斯、韩国和美国等7个成员国参加的“国际热核聚变实验堆(ITER)计划”正式启动。聚变反应堆利用的是氢同位素(氘和氚)的核聚变反应所释放的能量,这也是太阳和其他恒星的能量来源。利用可控聚变能是解决全球能源和环境问题的一个重要途径,而实现聚变反应堆商业化运行需要三个阶段:即建造ITER装置并据此进行科学和工程研究;设计、建造与运行聚变示范电站;建造商业化聚变反应堆。ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克,俗称“人造太阳”。其中心是高温氘氚等离子体环,等离子体环在屏蔽包层的环型包套中,屏蔽包层将吸收核聚变反应产生的所有中子。根据该计划目前的进展,建造于法国的聚变反应堆将于6年后投入运行,它被认为是人类发展聚变能的主要突破。

  在聚变反应堆中,需要利用强磁体、无线电波和粒子束等将聚变燃料等离子体压缩并加热到至少1.5亿摄氏人造太度,使等离子体发生聚变反应。这需要消耗巨大能量,但迄今为止尚没有一座反应堆能够产生净能量增益(即产出能量大于输入能量)。科学家期望ITER能够突破上述障碍,输入50兆瓦(1兆相当于100万)的能量可以产生500兆瓦的聚变功率,其持续时间可保持数分钟。但这仅是一种科学验证,ITER本身将不能被用来发电,发电重任将交给其后继者——聚变示范电站。

  然而,目前研究人员才刚开始考虑聚变示范电站的设计工作。从目前的各种迹象来看,聚变示范电站的设计和建造工作将不会被纳入全球性的合作计划。最近韩国宣布它正在从事聚变示范电站(K-DEMO)的初步设计工作;中国也已开始设计“中国聚变工程测试反应堆”,这是介于ITER和聚变示范电站之间的中间步骤。欧洲聚变发展协会制定的路线图虽并未排除国际合作,但将所有研究工作限定在欧盟2014年到2020年聚变预算范围之内。

  欧盟聚变示范电站研发路线图

  该路线图认为,人类在利用聚变发电方面取得进展的关键在于ITER,因此需要倾力确保其成功,其中包括研究现有小型反应堆的各种运营方案。路线图指出,最大的技术挑战是如何从未来的聚变反应堆中排除核反应后的废气。

  ITER和其他类似的现代反应堆底部都有一个偏滤器,其作用之一就是从等离子体容器中卸去乏燃料。当等离子体接触到偏滤器固态表面时,它将吸收大量热量。ITER偏滤器是由不锈钢制成,外表用钨层覆盖。在研究用反应堆中,由于其正常运行时的能量较低,且每次运行时间最多为数分钟,这种偏滤器可以正常工作。但聚变示范电站在正常运行时将会持续产生吉瓦级(1吉瓦等于1000兆瓦)的能量,常规的偏滤器无法承受如此高的热载。因此,路线图指出,研究人员必须开发其他备用设计方案。替代方案可能会设法扩大等离子体与偏滤器的接触面积以减少热载,或允许等离子体在接触偏滤器前辐射出更多热量。欧洲聚变发展协会指出,未来需要利用现有合适的托克马克装置或专门新建的测试设施对替代方案进行测试。

  另一个技术挑战是,利用何种材料制造反应堆内等离子体容器的结构、表面覆层和面向等离子体部件。聚变堆中等离子体发射的高能中子、电磁辐射对上述材料具有强烈作用,因而需要开发出能够在数十年内承受中子不间断轰击的材料,但现有中子源的强度都不能满足这种测试的需求。科学家正在研发一种以基于加速器的中子源(ITER计划的一部分),但欧洲聚变发展协会认为不久就需要研发其他中子源。

  欧洲聚变发展协会还需要对“产氚包层(也称实验包层)”进行深入研究。产氚包层是等离子体容器壁的一部分,反应堆产生的中子在此将锂转变为核燃料氚。需要开发替代方案的包层设计,以应对拟在ITER进行测试的包层设计可能出现的失败。该路线图要求工业界更多地参与聚变示范电站的各项设计和建造工作,因为一旦这些工作完成之后,工业界就必须承担发展聚变能的重任。此外,还需要加强等离子体理论和建模等各项工作。

  作为最主要的备用计划,路线图倡导继续坚持仿星器的设计和开发工作。仿星器是一种替代性聚变反应堆,其最大优点是能够连续稳定地运行。上世纪60年代当托克马克受到人们青睐时,对其重视程度有所降低。德国的温特尔斯坦仿星器7-X(即W7-X)将于2014年建成,科学家在W7-X反应堆安装了一种叫“仿星器”的设备,旨在模仿恒星内部持续不断的核聚变反应。

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