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聚焦后ITER时代:欧洲发布核聚变发展路线图

导读: 欧洲核聚变发展协议(EFDA)发布的路线图,仍然面临很多重大的科技难题,需要核聚变科学家和工程师在未来几十年里去努力攻克。

  国际热核聚变反应堆(ITER)是一座位于法国的巨型在建核反应堆,并且将会是第一座通过核聚变生产出有用能源的核反应堆。欧洲负责核聚变研究的机构日前发布了旨在于2050年之前将ITER改造成产业化核聚变工厂的路线图。尽管6年后ITER运行将被认为是核聚变能源的一项重大突破,欧洲核聚变发展协议(EFDA)发布的路线图,仍然面临很多重大的科技难题,需要核聚变科学家和工程师在未来几十年里去努力攻克。

  核聚变反应堆通过熔凝氢的同位素来生产能量――太阳和其他恒星的能量也由此产生。要做到这点必须通过强力的磁铁、无线电波以及粒子光束来压缩加热一种等离子聚变燃料,使其达到最少1.5亿度的惊人温度。但是,要想将等离子燃料加热到聚变所需的温度需要耗费太多的能量,以至于目前没有一座反应堆能够满足条件从而生产出净能量。

  为克服上述弊端,ITER被寄予厚望。只需50兆瓦的输入功率,它可以在几分钟内产生500兆瓦的输出功率。不过这仅仅是科学的演示,因为ITER不会用于发电,这个工作将交给它的继任者DEMO。尽管核聚变研究者刚刚开始构思如何设计DEMO,但是越来越确定的是它不会像ITER一样进行全球合作――后者的成员包括中国、欧盟、印度、日本、俄罗斯、韩国和美国。

  韩国近日宣称已经开始着手为下一代的反应堆K-DEMO进行初步设计。中国早已开始设计ITER到DEMO的过渡型――中国聚变工程试验堆。现在EFDA也开始筹划自己的DEMO。该组织并未排除国际合作的可能性,但是已设计好的路线图表明:任何研究必须符合欧盟2014至2020年核聚变预算的相关规定。

  EFDA的路线图认为ITER是发展聚变能量的关键。因此,必须采取一切措施以确保它的成功,包括利用现有的小型反应堆做实验以研究多种ITER的运营方案。路线图指出,未来最大的问题在于如何减少排热量。ITER与其他类似的受控热核反应装置如托卡马克装置有着相同的结构:在装置底部装有一个分流偏滤器用来将废燃料排出等离子器。作为容器中唯一与等离子直接接触的固体表面,该装置必须能够吸收足够多的热量。ITER的分流偏滤器以不锈钢为材料并在外表涂有金属钨,但是这种分流偏滤器只能胜任低功率、最多运转几分钟的试验反应堆,而DEMO却可以稳定地产生数千兆瓦的功率,这大大超出现有分流偏滤器的热负荷。

  为防万一,路线图要求研究者必须设计替代方案,包括重新设计容器的外形――例如延伸与固体表面的接触面,以减少热负荷或者使等离子在接触分流偏滤器之前就将大部分的热量散发掉。EFDA要求:替代方案必须在现有的托卡马克装置或者专用的设备上进行测试。

  另外一个亟须解决的难题是为DEMO的等离子容器的内层结构,以及其他与等离子接触的部件选择合适的材料。DEMO中聚变产生高能中子的反应及其撞击非常剧烈。中子撞击原子使其偏离原位置且具有放射性。研究的目的在于找到可承受持续数十年中子撞击的材料,但是当前并没有足够强度的中子材料用于测试。作为ITER工程的附属品,一款基于加速器的中子源正在开发之中,不过EFDA对中子材料早已急不可待了。

  EFDA还要求对产氚包层,即等离子容器的器壁作更广泛的研究。反应堆里的中子将锂转化为核聚变所需的一种燃料氚。包层的替代设计方案也必须跟进,以防现有方案不能通过测试。路线图同时也呼吁相关产业对DEMO予以支持,因为一旦该计划得以完成,产业将会接过聚变发展的接力棒,等离子理论和相关模型也将得到进一步发展。

  作为最后的备选方案,路线图鼓励继续对仿星器进行研究。20世纪60年代末,托卡马克的出现使仿星器淡出了人们视线。德国Wendelstein7-X仿星器将于明年完成,该仿星器可以为今后的HELIAS能源生产版本提供模板。
 

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