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美国计划15年内建成全球首个核聚变电站

麻省理工学院在托卡马克装置的基础上进行了延伸,计划建设一个紧凑型聚变实验装置 SPARC,其中关键是建立一种强大的超导电磁铁。

图片来源:视觉中国

利用核裂变原理,人类已建造了几百个核电站。现在,开始向核聚变利用进军。

据英国《卫报》等多家外媒报道,美国麻省理工学院(MIT)正在开展一项核聚变研究项目,计划在未来15年内,建成全球首个核聚变发电站,并让其连接上电网。该座核聚变电站设计功率为200兆瓦。 

该项目由麻省理工学院和一家私人企业CFS(Commonwealth Fusion Systems)合作开发,目的是将核聚变从昂贵的科学实验阶段,转化为具有经济性的商业项目。 

麻省理工学院表示,项目吸引了意大利能源公司埃尼(ENI)前来投资。ENI已向CFS公司投资了5000万美元,其中3000万美元将用于麻省理工学院未来三年对该项目的研究。

人类开发核能的途径主要有两条——重元素的裂变和轻元素的聚变。核聚变产生巨大的能量高于核裂变,一直以来被科学界视为人类的终极能源。一公斤核聚变燃料所产生的电能等同于1.1万吨煤炭,且核聚变所需的燃料氘、氚,在自然界中储存量十分巨大,海水中就能提取。

但是,核聚变具有很强的不可控制性。

人类对聚变反应的控制,目前主要是依靠一种环形容器,通过约束电磁波驱动,创造氘、氚实现聚变的环境和超高温,实现受控核聚变。这种装置被称为托卡马克(Tokamak),名字来源于其关键词——环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnet)、线圈(kotushka)。

二十世纪末,科学家们又将新兴的超导技术用于托卡马克装置,产生了超导托卡马克装置。其仿造原理为太阳内部的热核聚变反应,因此业内将这种装置称为“人造太阳”。

麻省理工学院在托卡马克装置的基础上进行了延伸,计划建设一个紧凑型聚变实验装置 SPARC。SPARC的关键是建立一种强大的超导电磁铁。麻省理工学院与 CFS团队计划用三年时间完成对超导电磁铁的研究。

据麻省理工学院介绍,制造该超导磁铁的超导材料,是一种涂覆有钇-钡-氧化铜(YBCO)复合材料的钢带。该材料的使用,能够使超导磁铁具有磁场强度高、成本低等优势。

目前,中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国正在进行一项名为“国际热核聚变实验堆(ITER)计划”的项目,相当于建造一个大规模的“人造太阳”。

根据ITER项目规划,2007-2025年为建造阶段,2025年底实现第一次点火,2035年进入运行阶段,最终在2050年前后实现核聚变能商业应用。

这一工程涉及包括欧盟、中国、美国、日本、俄罗斯等国在内的七方。中国于2003年加入ITER计划,并将承担ITER装置中137个采购包制造任务的12个,接近总任务量的10%。

同时,中国也在制造自己的“人造太阳”——全超导托卡马克核聚变实验装置EAST。去年7月,EAST在全球首次实现了稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行,创造了新的世界纪录。

核工业西南物理研究院副院长段旭如此前表示,经过近十年,中国对核聚变的技术研究,已经从过去的“跟跑”,到目前部分技术实现了“领跑”。

3月18日,据《科技日报》报道,从中科院合肥物质科学研究院获悉,该院核能安全所以中国抗中子辐照钢(即CLAM钢)为原料,利用3D打印技术实现聚变堆关键部件——包层第一壁样件的试制,并对其组织和性能进行了研究分析。

这是中国首次实现聚变堆关键部件样件3D打印。该研究表明,3D打印技术在聚变堆等先进核能系统复杂构件制造方面具有良好的应用前景。

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