MIT 研發新型核融合結構,拆解式反應爐有助系統散熱

作者 | 發布日期 2018 年 10 月 23 日 8:45 | 分類 尖端科技 , 能源科技 follow us in feedly

美國麻省理工研發核融合不遺餘力,除了與私人企業 Commonwealth Fusion Systems(CFS)研發核融合技術之外,現在又提出全新核融合反應爐設計,新結構可打開內部腔室替換重要零件,將有助於提升反應爐散熱系統,進而延長設備的使用壽命。



為了要在地表打造一座能量可與太陽比擬的設備,人們如火如荼研究核融合技術,利用氘與氚原子在高溫高壓下的融合反應來產生能量,其中氘是氫的同位素,可以從海水中提取,氚也可以從中子撞擊鋰來獲得,核融合的燃料可說是相當容易取得,然而科學家投入核融合數十年之久,至今消耗能量仍沒有跟輸出能量持平,距離商業化、用於發電廠還相當遙遠。

開發核融合並不是一件簡單的事情,該技術能量主要以是中子形式釋出,中子撞擊電漿反應爐外面的鋰製覆蓋層(blanket)除了會產生氚,也會釋出大量熱量,雖然這些熱量可以用於熱交換器來製造蒸氣,進一步驅動渦輪機,但是電漿本身也會產生 20% 的熱,因此科學家得分離出這些熱量,防止電漿過熱熔毀反應爐。

通常核融合電漿溫度會高達數百萬度,基本上沒有什麼材料能夠承受如此高溫,因此科學家都是透過強大的輔助線圈──也就是偏濾器──來防止電漿與腔室接觸並排除多餘的熱量,只不過對於麻省理工先前研發的小型核融合反應爐(compact plant)Sparc 來說,偏濾器無法承受新設備產生高溫。論文第一作者 Adam Kuang 指出,如果再不改善散熱系統,核融合反應爐總有一天會損毀。

在傳統核融合設計中,輔助線圈都會環繞在主線圈外圍,線圈必須要足夠長跟穩定才能讓磁場穿透整個腔室,只不過這種設計也造成科學家無法精確控制電漿的形狀。

▲ ARC 設計模型,1. 電漿;2. 新型偏濾器;3. 銅製補墊線圈;4. 高溫超導體(HTS)極向場線圈,可幫偏濾器內的電漿塑形;5. 用於吸收中子熱量的 FLiBe 液態材料;6. HTS 環形磁場線圈,電漿整體塑形;7. HTS中央電磁閥;8. 真空腔室;9. FLiBe 槽;10. 環形磁線圈接頭,可以打開並進入反應爐內部。

因此麻省理工提出全新核融合結構,並稱之為 ARC(更進步、強大與小型;for advanced, robust, and compact),其特色是反應爐內部可拆解檢修,讓輔助線圈可以放在主線圈之內,Kuang 指出,只要縮小輔助線圈與電漿的距離,就可以大幅縮小電漿尺寸。

在團隊的構思中,偏濾器的概念跟汽車排氣系統差不多,Kuang 表示,新型結構的「排氣管」與現有反應爐都還要長跟寬,能有效排出更多的熱量。且高溫超導體除了讓 ARC 磁場設計更加緻密,團隊也可以提出許多最佳化方案,不過目前還需要更多的分析與評估替代設計。

由於核融合取材容易與無放射性汙染,安全性與能量生產量皆比核分裂技術佳,核融合發電一直以來都被認為是未來的電力希望,而隨著科學家的研究發展,或許總有一天核融合可從「未來的」技術變成現在進行式。

(本文由 EnergyTrend 授權轉載;首圖來源:麻省理工

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