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核聚变反应堆一定昂贵?未来可能不是这样

可控核聚变,可以带来清洁和近乎无限的能源供应,一直都被寄予“解决全球能源问题”的期望。但是,人类奋斗了几十年,商用核聚变能源还是离我们很遥远。这是为什么?

 

除了技术上的种种难度,成本问题也是不容忽视的。在法国南部建造的国际热核聚变实验堆(ITER)很庞大,高29米,直径28米,重2300吨。2011年5月,预算测算已经涨至大约160亿欧元,建设成本几乎是最初估计的4倍。

 

未来的聚变堆能否不再庞大和昂贵?核聚变未来的发展方向是什么?也许是更强的磁场。

 

 

什么是核聚变?

 

太阳的能量来自核聚变反应。根据爱因斯坦的质能关系E=mc2,质量损失,可释放出巨大能量。平均一克氘氚核聚变燃料产生的能量相当于燃烧8吨汽油的能量。

 

未来的中国超导聚变装置

近几年,高温超导的产业化发展迅速。不仅美、日、韩、德有多家企业,国内,上海超导和苏州新材料研究所都已研制成功千米级二代高温超导带状导线REBCO,并实现了商业化销售。但目前价格还比较贵,大约200元/米。高温超导线圈的成本比低温超导线圈高了一个数量级。但因为高温超导有广泛的应用领域,如直流输电、超导磁悬浮列车、超导电机、超导发电机、超导变压器、超导故障电流限制器、超导电缆,以及高磁场核磁共振成像NMR/磁共振成像MRI等,市场需求潜力巨大。

 

考虑到目前高温超导线圈的技术水平和成本,比较适合建造小型的托卡马克、仿星器或磁镜等稳态磁约束聚变实验装置,瞄准稳态运行目标,并及时启动高温超导聚变堆设计的国家计划。未来10年,随着高温超导产业化的发展和成本的降低,用高温超导线圈建造聚变堆将变得现实。

 

我国的可控热核聚变实验装置“东方超环”(EAST超导托卡马克)的科研人员近期发现了Grassy ELM高性能稳态运行模式的形成机理[G。 S。 Xu et al。, PRL 122, 255001 (2019)]。有望将这种运行模式应用于未来强磁场稳态托卡马克核聚变反应堆,解决瞬态热负荷问题。

 

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