中國儲能網(wǎng)訊：人類一直在尋找這樣一種能源，它可開發(fā)、可持續(xù)、安全可靠且取之不盡，與此同時(shí)，這種“理想”能源要最終實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。核聚變讓人類可以駕馭太陽和星星，從中獲取史無前例的巨大能源。世界各國的科研人員正試圖在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)“人造太陽”的壯舉，他們也面臨著各種阻力。
據(jù)外媒6月11日報(bào)道，美國田納西大學(xué)的研究人員已經(jīng)成功研發(fā)出一項(xiàng)隔離和穩(wěn)定中心螺線管的關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)用于正在開發(fā)中的國際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）。此舉將利用核聚變能聯(lián)網(wǎng)發(fā)電的可行性又向前推進(jìn)了一大步。相對于目前使用的核裂變技術(shù)，核聚變技術(shù)可以提供更多的能量，而風(fēng)險(xiǎn)卻小得多。
田納西大學(xué)機(jī)械學(xué)教授大衛(wèi)·埃里克、航空航天學(xué)教授馬杜·馬杜卡爾和生物醫(yī)學(xué)工程教授馬蘇德·帕蘭領(lǐng)導(dǎo)的研究小組完成了ITER項(xiàng)目的一個(gè)重要步驟，通過實(shí)驗(yàn)成功地測試了隔離和穩(wěn)定中心螺線管的技術(shù)。該實(shí)驗(yàn)裝置是ITER的主架構(gòu)，同時(shí)這項(xiàng)研究也關(guān)系到ITER項(xiàng)目的進(jìn)展。
馬杜·馬杜卡爾表示：“ITER的目的是實(shí)現(xiàn)聚變能聯(lián)網(wǎng)發(fā)電。核聚變的能量要比核裂變產(chǎn)生的能量更加安全和高效。我們不會再面對像切爾諾貝利和日本的核裂變反應(yīng)堆發(fā)生失控所帶來的危險(xiǎn)。此外，核聚變反應(yīng)幾乎不會產(chǎn)生放射性廢物。”
“人造太陽”的希望
ITER是介于當(dāng)前的等離子物理實(shí)驗(yàn)裝置和未來的核聚變發(fā)電站之間的一個(gè)試驗(yàn)性步驟，其目標(biāo)是要建造第一個(gè)可自持燃燒的核聚變實(shí)驗(yàn)堆。從技術(shù)上說，ITER裝置是一個(gè)能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的超導(dǎo)托克馬克，俗稱“人造太陽”。
“ITER計(jì)劃”是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國際科研合作項(xiàng)目。該計(jì)劃是人類實(shí)現(xiàn)安全、高效、潔凈的聚變能源夢想進(jìn)程中最為重要的一步。這個(gè)計(jì)劃在30年的運(yùn)轉(zhuǎn)周期里預(yù)計(jì)耗資超過100億歐元，參與者有包括歐盟、美國、俄羅斯、日本、中國、印度和韓國在內(nèi)的33個(gè)成員國，覆蓋全球60%的人口和80%的GDP。他們聯(lián)合起來，組成一個(gè)偉大的科學(xué)團(tuán)隊(duì)，共享各自的資源，以滿足這一概念實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)所需的科學(xué)與工程技術(shù)。
ITER的使命是證明核聚變能在工程和經(jīng)濟(jì)上的可行性。ITER需要取得技術(shù)上的關(guān)鍵突破：穩(wěn)定地越過1022的“聚變?nèi)胤e”，超過能量的“收支平衡點(diǎn)”，實(shí)現(xiàn)10倍的能量增益Q值，證明利用核聚變能在工程上是可行的，并具有實(shí)用的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
目前，一座示范性反應(yīng)堆正在法國南部普羅旺斯-阿爾卑斯-藍(lán)色海岸大區(qū)的卡達(dá)拉舍建造，預(yù)計(jì)2020年開始運(yùn)行。這項(xiàng)工程為進(jìn)一步探索和發(fā)展能直接用于商用聚變發(fā)電的相關(guān)技術(shù)，為建造未來的聚變能示范電站，奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)和必要的技術(shù)基礎(chǔ)。
利用核聚變難比登天
ITER采用了1968年蘇聯(lián)人發(fā)明的托卡馬克裝置。托卡馬克又稱環(huán)流器，是一個(gè)由環(huán)形封閉磁場組成的“磁籠”，高溫產(chǎn)生的等離子體就被約束在類似于面包圈的磁籠中。托卡馬克裝置通過約束電磁波驅(qū)動，創(chuàng)造氘、氚實(shí)現(xiàn)聚變的環(huán)境和超高溫，并實(shí)現(xiàn)人類對聚變反應(yīng)的控制。
ITER中的托卡馬克裝置是一個(gè)直徑超過12米、容積達(dá)837立方米的環(huán)形容器，里面環(huán)繞著超導(dǎo)電磁線圈。環(huán)形托卡馬克裝置外部的磁體能產(chǎn)生強(qiáng)烈的螺旋型磁場，能夠約束熱核聚變中產(chǎn)生的超高溫等離子體。為了打造這一巨大的磁性籠子，ITER項(xiàng)目使用了超過10000噸的鈮合金制成的超導(dǎo)線圈，并且仍要用低溫液態(tài)氦氣來降溫。
巨大的能量給ITER帶來了威脅，“磁籠”并非牢不可破。活動劇烈的等離子體會發(fā)射出X射線，溢出帶電粒子。而且，聚變反應(yīng)將產(chǎn)生電中性且不受磁力吸引的高能中子。盡管有“磁籠”約束，ITER的等離子體很可能會以每平方米數(shù)千千瓦的熱量將外壁炸開，其破壞力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過此前的任何托卡馬克裝置或常規(guī)核裂變反應(yīng)堆。
混合材料解決難點(diǎn)
中心螺線管導(dǎo)體是“磁籠”中的重要部分，如何隔離和穩(wěn)定托卡馬克裝置的中心螺線管非常重要。因此，尋找一種合適的材料成為打破僵局的關(guān)鍵。田納西大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)高堿玻璃纖維和環(huán)氧基樹脂的化學(xué)混合物在高溫狀態(tài)下仍舊保持液態(tài)，并且極難固化。這種混合材料非常適合注入到中心螺線管中。
研究人員在中心螺線管導(dǎo)體的樣機(jī)中進(jìn)行了技術(shù)測試。這種特殊的混合物不僅具有電氣絕緣性，而且可以提高導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。綜合考慮溫度、壓力、真空環(huán)境和混合物的流量，在注入過程中需要保持平穩(wěn)的速度。
馬杜·馬杜卡爾說：“我們加入環(huán)氧基樹脂的過程，幾乎是在與時(shí)間賽跑。在測試中我們發(fā)現(xiàn)：溫度越高，環(huán)氧基樹脂的粘性越低，活性也越低。”
這項(xiàng)技術(shù)歷時(shí)2年的研究，而向中心螺線管注入混合物質(zhì)的過程就需要在嚴(yán)密監(jiān)控下持續(xù)2天時(shí)間。這項(xiàng)技術(shù)將轉(zhuǎn)移到圣地亞哥的通用原子公司，該公司是美國ITER項(xiàng)目的合作伙伴，負(fù)責(zé)建造中心螺線管導(dǎo)體，并運(yùn)送到法國。
