作者:郭后扬等 来源:《国家科学评论》 发布时间:2019/12/13 20:28:29
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经济型核聚变电站的两条建设路径

核聚变燃料来源丰富,可能提供一种清洁、环保且本质上安全的能源。经过几十年的发展,磁约束聚变能源研究正由理论走向实践,接近聚变反应堆设计和建造规划的新时代。在最近发表于《国家科学评论》(National Science Review, NSR)的文章“Innovative Approaches towards an Economic Fusion Reactor”中,郭后扬博士等对开发核聚变能源的创新方式进行了剖析,并讨论如何利用物理学与技术方面的最新进展,协同推动、加快聚变能发展,并降低其开发成本。

文章认为,磁约束核聚变能源研究是沿着两条途径进行的(上图):

(一)先进的磁约束方式,依靠环形磁场系统来提高等离子体的稳定性,包括托卡马克(Tokamak)、仿星器(Stellarator)和反场箍缩(RFP)等。该途径以托卡马克为主线,国际热核聚变实验堆(ITER)正在建设之中,许多国际参与者也都紧跟ITER,建设下一步聚变能研发装置,如中国的聚变工程试验堆(CFETR)和欧盟的核聚变能示范堆等。

这条路径的问题在于装置规模过大,所需建造和运营成本过高。所以,如何降低成本,并使磁约束系统高效且紧凑是该途径面临的首要工程挑战。

(二)简化的磁约束方式,指没有环形场线圈的较简单磁约束系统,包括场反位形(FRC)、球马克(Spheromak),以及磁约束和惯性约束相结合的磁惯性约束系统(MIF)等。

对于这条路径,主要挑战不在工程,而在物理。相比于托卡马克或仿星器,这条途径还不够成熟,需要进行进一步的基础物理研究,以显著提升高温等离子体的约束性能。而一旦实现物理上的突破,则可能直接建造出经济型核聚变反应堆。目前,这种高科学风险的方法主要由Tri Alpha Energy、Lockheed Martin、General Fusion等私营企业推动。

更进一步,文章从物理和技术两个方面探讨了各种磁约束方式尚待解决的核心科学问题及其面临的挑战,以及可能的突破性发展方向。对于主线为托卡马克的途径,新的物理理解可能使ITER实现和维持更高的核聚变性能,再加上高强磁场,有可能以更小的尺寸和成本获得高聚变功率密度。仿星器研究也取得了令人振奋的进展,获得了高达约1亿度的高温等离子体。对于较简单的另类磁约束系统,物理还不太成熟,需要重大突破才能达到与托卡马克类似的技术准备水平(TRL)。

此外,许多变革性的新技术也为有助于加速核聚变研究。其中包括人工智能和机器学习、高温超导体、先进材料及其制造、新型射频电流驱动,以及氚燃料循环控制的新技术等。在未来几十年中,这些物理与技术创新的融合将为加速聚变能源发展、降低其成本带来巨大的希望。

相关论文信息:https://doi.org/10.1093/nsr/nwz162

 
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