襲擊一些國家的極端天氣事件促使許多人質(zhì)疑氣候變化是否比以前惡化得更快。溫室氣體排放是氣候變化的主要驅(qū)動因素，主要來自人類活動。當(dāng)燃燒化石燃料來發(fā)電和供熱時，CO 2 會釋放出大氣中的熱量并增加地球的溫度。因此，必須通過各種解決方案（例如使用清潔的可再生能源）來消除 CO 2排放。聚變能源是一種滿足凈零目標(biāo)的清潔能源

聚變是太陽和恒星產(chǎn)生能量的方式。太陽有一個極端具有導(dǎo)致氫原子碰撞和融合的溫度和壓力的操作環(huán)境。General Fusion 正在研究使用磁場的聚變能，并且正在與加拿大核實驗室合作開展一個旨在推進(jìn)聚變能技術(shù)的項目。通過此次合作，General Fusion 和加拿大核實驗室將開發(fā)用于商業(yè)聚變發(fā)電廠的氚提取技術(shù)。此外，英國原子能管理局 (UKAEA) 已宣布與 General Fusion 達(dá)成協(xié)議，將在英國建造其聚變示范工廠 (FDP)。在 Culham 建造新設(shè)施以舉辦 FDP 后，General Fusion 將與 UKAEA 簽訂長期租約。FDP 將展示 General Fusion 的專有磁化目標(biāo)融合 (MTF) 技術(shù)， ?

General Fusion 首席業(yè)務(wù)發(fā)展官 Jay Brister 在接受《電力電子新聞》采訪時強調(diào)，私人聚變能源投資正在增加，迄今為止，對私人聚變公司的投資已超過 20 億美元。?

“世界各地的監(jiān)管機構(gòu)也在探索支持聚變能源所需的授權(quán)。聚變能源將使希望向凈零碳排放過渡以實現(xiàn)其氣候目標(biāo)的國家受益。聚變工業(yè)協(xié)會及其成員正在與政府機構(gòu)合作，為美國的商業(yè)聚變能源制定監(jiān)管框架。在英國，監(jiān)管視野委員會正在走類似的道路，”布里斯特說。

對聚變能研究和開發(fā)的投資增加，促使人們更加現(xiàn)實地將這項技術(shù)視為提供充足和可靠電力的可行選擇。但仍然存在障礙，包括需要升級現(xiàn)有電網(wǎng)以支持日益多樣化的能源供應(yīng)組合。

“電網(wǎng)將隨著時間的推移而發(fā)展——尤其是隨著更多可再生能源的實施。聚變的優(yōu)點之一是能量密集且需要最少的土地使用。聚變能源發(fā)電廠還將減少對長輸電線路的需求，因為它們可以建在能源需求來源附近，從而更好地利用土地，”布里斯特說。

他補充說：“電網(wǎng)走向的分配性質(zhì)——能夠提供一個規(guī)模可以補充可再生能源組合的本地化和可調(diào)度來源將是關(guān)鍵。它將成為更廣泛的清潔能源組合的一部分?！?/p>

融合未來

可再生能源無疑是未來。聚變能源的支持者表示，他們的行業(yè)必須與太陽能和風(fēng)能一起參與到減少排放和解決氣候變化的討論中。

“隨著世界尋求應(yīng)對氣候變化，全球能源供應(yīng)商正在升級其基礎(chǔ)設(shè)施以減少碳排放。強大的能源系統(tǒng)既需要穩(wěn)定的電力，也需要間歇性的電力。聚變能源按需提供且不受天氣影響，使其成為可再生能源的絕佳補充，”布里斯特說。

無碳企業(yè)電力為減少排放和滿足未來幾年不斷增長的電力需求提供了絕佳機會。Brister 說，由于零排放和按需供應(yīng)，聚變能源可以取代舊的基礎(chǔ)設(shè)施或為新部門供電。

“到 2050 年，電力需求預(yù)計將增長 200%。聚變能源為公用事業(yè)提供了強大的發(fā)電組合，以滿足這一不斷增長的需求，”布里斯特補充道。

圖 1：什么是 Fusion？（來源：General Fusion）

磁化目標(biāo)融合 (MTF)

電磁鐵是圍繞機械形狀纏繞的線圈。當(dāng)電流流過電線時，它會在線圈內(nèi)部和周圍產(chǎn)生磁場。如果導(dǎo)線纏繞數(shù)次，磁場強度乘以使用的導(dǎo)線環(huán)數(shù)，并且可以增加。但是，銅線圈會對電流產(chǎn)生一定的阻力，并且會通過加熱來耗散能量。如果線圈短暫地打開然后讓其冷卻，則電阻加熱是可以接受的。

超導(dǎo)磁鐵由鈮鈦合金制成，在冷藏時不抗電。這允許線圈在不散熱的情況下長時間管理大電流。然而，鈮鈦等材料需要大型且昂貴的低溫冷卻系統(tǒng)才能運行。

等離子體約束有多種方法，General Fusion 在脈沖基礎(chǔ)上使用帶有簡單電磁體的磁化目標(biāo)融合 (MTF)，其中融合條件可以短暫地但在重復(fù)循環(huán)中實現(xiàn)。?

Brister 指出，在這種方法中，他們遵循以下步驟：

用液態(tài)金屬填充容器，旋轉(zhuǎn)金屬直到形成空腔。

將氫等離子體注入腔體。

等離子體被壓縮并加熱到超過 1 億攝氏度，并發(fā)生聚變。

“融合過程加熱液態(tài)金屬壁。在我們的商業(yè)試驗工廠中，熱量將從金屬中提取并用于制造蒸汽。蒸汽將驅(qū)動渦輪機——產(chǎn)生電力，”布里斯特說。

在 MTF 中，電磁鐵用于等離子體注入器。噴射器產(chǎn)生一圈等離子體，并通過其旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生一個磁場，將粒子云聚集在一起。在等離子環(huán)的短暫壽命期間，它被壓縮到應(yīng)該發(fā)生核聚變的溫度和壓力。?

等離子體粒子沿著磁場線流動，現(xiàn)在磁場線在不接觸壁的情況下循環(huán)。通過這種方式，磁場可以防止熱聚變等離子體接觸液態(tài)金屬并冷卻。當(dāng)我們加熱等離子體核心時，磁場充當(dāng)了極好的熱絕緣體，使其比太陽更熱。在此過程中，水箱壁保持足夠涼爽，可以作為發(fā)電廠的一部分發(fā)揮作用。

“MTF 有四大關(guān)鍵優(yōu)勢：材料耐用性、燃料生產(chǎn)、能量轉(zhuǎn)換和能源經(jīng)濟。

材料耐用性：液態(tài)金屬襯里保護(hù) MTF 結(jié)構(gòu)免受聚變反應(yīng)釋放的中子的影響，克服了面向等離子材料的結(jié)構(gòu)損壞問題（也稱為第一壁問題）。

燃料生產(chǎn)：融合過程從用液態(tài)金屬填充罐開始，旋轉(zhuǎn)金屬直到形成空腔。我們將氫等離子體注入腔體。我們使用高功率活塞將等離子體壓縮到聚變條件。高速數(shù)字控制管理和同步 500 個單獨活塞的時間。壓縮過程以毫秒為單位。當(dāng)液態(tài)金屬壓縮等離子體導(dǎo)致能量和氚釋放時發(fā)生聚變，這些能量和氚將被捕獲并用作燃料。

能量轉(zhuǎn)換：在 General Fusion 的商業(yè)試驗工廠中，將從金屬中提取熱量并用于制造蒸汽。蒸汽將驅(qū)動渦輪機并產(chǎn)生電力。這通常用于當(dāng)今的發(fā)電。

能源經(jīng)濟學(xué)：MTF 易于制造和擴展，因為它使用簡單的電磁體并避免使用昂貴的激光器，”布里斯特說。

該行業(yè)需要克服的最大挑戰(zhàn)之一是以具有成本效益的方式將聚變產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)移到能源網(wǎng)中?！白詮募幽么笪锢韺W(xué)家 Michel Laberge 博士在大約 20 年前創(chuàng)立該公司以來，克服這一挑戰(zhàn)一直是我們聚變能方法的核心。我們的 MTF 方法使用現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)，例如蒸汽動力活塞，將等離子體壓縮到聚變條件。不需要在其他聚變方法中發(fā)現(xiàn)的奇異激光器或巨型磁鐵，General Fusion 的技術(shù)可以在商業(yè)聚變發(fā)電廠中經(jīng)濟地實施，”布里斯特說。

圖 2：過熱等離子體是實現(xiàn)聚變能的關(guān)鍵（來源：General Fusion）

圖 3：技術(shù)人員正在研究 General Fusion 的磁化目標(biāo)融合技術(shù)的一個關(guān)鍵組件——壓縮系統(tǒng)（來源：General Fusion）

未來的計劃

“Fusion 比你想象的更接近，”布里斯特說。

General Fusion 正在英國原子能管理局 (UKAEA) 的英國卡勒姆校區(qū)建造首個核聚變示范工廠 (FDP)，以確認(rèn) MTF 技術(shù)的性能和經(jīng)濟性?！巴ㄟ^這種方式，我們可以將其擴展到商業(yè)試驗工廠。為此，我們將在不發(fā)電的電廠相關(guān)環(huán)境中創(chuàng)造聚變條件。FDP 將產(chǎn)生中子，它產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將為我們提供建設(shè)發(fā)電商業(yè)試驗工廠所需的信息。根據(jù)從 FDP 收集的數(shù)據(jù)，General Fusion 將設(shè)計和建造一個商業(yè)試驗工廠。該設(shè)施是十多年發(fā)展的結(jié)果；它將經(jīng)過驗證的組件組裝到我們商用機器的縮放版本中。建設(shè)計劃于 2022 年開始，并于 2025 年開始運營。FDP 將在與發(fā)電廠相關(guān)的環(huán)境中創(chuàng)造聚變條件，而不產(chǎn)生電力。這是設(shè)計使然——我們將從 FDP 中汲取經(jīng)驗來創(chuàng)建商業(yè)試驗工廠?？紤]到氣候變化的緊迫性，我們將在 2030 年代為家庭、企業(yè)和工業(yè)提供聚變能源，”布里斯特說。?

幾十年來，聚變科學(xué)家一直致力于產(chǎn)生聚變反應(yīng)。從根本上說，七十年的聚變發(fā)展和使能技術(shù)為近期商業(yè)化鋪平了道路。Brister 認(rèn)為以下幾點正在影響當(dāng)今聚變技術(shù)的進(jìn)步：

聚變科學(xué)進(jìn)展：
– 等離子體物理知識
– 高級仿真代碼
– 聚變理論的實驗驗證

成熟的使能技術(shù)：
– 先進(jìn)制造（3D 打印/復(fù)合材料）
– 計算能力和大數(shù)據(jù)分析
– 高速數(shù)字控制系統(tǒng)

投資（如介紹中所述）

目前有幾個聚變研究項目。Brister 指出，ITER 是一項長期的跨國聚變研究計劃，旨在實現(xiàn)凈正能量生產(chǎn)并驗證許多技術(shù)概念?！癐TER 的使命是推進(jìn)聚變科學(xué)和等離子體物理學(xué)，而我們的重點是聚變的商業(yè)應(yīng)用，”布里斯特說。

他補充說：“MAST 和 STEP 是英國的國家核聚變研究項目，位于 UKAEA Culham 校區(qū)，General Fusion 正在那里建造其核聚變示范工廠。UKAEA 的 Culham Campus 是聚變能源開發(fā)和創(chuàng)新領(lǐng)域的世界領(lǐng)先者。這就是我們選擇在那里舉辦我們的 FDP 的原因。我們將受益于英國的融合供應(yīng)鏈活動集群，以 UKAEA 全球公認(rèn)的專業(yè)知識和在該領(lǐng)域的存在為中心。

國際能源署預(yù)測低碳電力供應(yīng)的份額會增加。尤其是風(fēng)能、太陽能和地?zé)崮軐慕裉斓?36% 增加到 2040 年的 52%。Fusion 是對間歇性可再生能源和電池存儲的絕佳補充。這些技術(shù)共同構(gòu)成了一個實用的能源組合，可以緩解氣候變化并推動經(jīng)濟繁榮。

聚變能面臨的挑戰(zhàn)是如何以可控的方式在地球上創(chuàng)造可用于提供能量的條件。屬于太陽的條件，它是無限能量的最終來源。控制技術(shù)和電源管理解決方案必須有效地執(zhí)行其功能才能在地球上復(fù)制這一過程。聚變能源有潛力創(chuàng)造一個更清潔、更安全的世界，General Fusion 正在開發(fā)這項技術(shù)，以使其盡快可用。

審核編輯 黃昊宇