美设计新核聚变反应堆 成本低于燃煤发电

聚变能听起来似乎好的令人难以置信——零温室气体排放，没有长久存在的放射性废弃物，它是一种几乎无限量的能源供应。而采用聚变能面临的最大障碍可能是经济学问题。核聚变发电设计还没有便宜到可以取代现有的利用化石燃料，例如煤炭和天然气的系统。美国华盛顿大学的工程师们希望改变这一现状。他们设计了一种概念核聚变反应器，但它变成大型电厂的规模时，将可以与相似电量产出的燃煤火力发电厂所耗费成本相当。研究小组的核聚变反应堆设计以及成本分析研究于去年春天被发表，它将在10月17日俄罗斯圣彼得堡召开的国际原子能机构的聚变能会议上展示。

“就目前为止，这一设计具有产生非常经济的核聚变发电的巨大潜力。” 华盛顿大学的航空学教授和物理学副教授托马斯•贾尔伯(Thomas Jarboe)这样说道。华盛顿大学研究小组设计的这个名为dynomak的反应堆始于贾尔伯两年前带的一门课的课堂项目。在课程结束后，贾尔伯和他的博士研究生德里克•萨瑟兰(Derek Sutherland)——他之前在美国麻省理工学院做过反应堆设计的研究——继续发展并修改了这一概念。

这一设计是建立在现有技术的基础上，在封闭空间里创造了一个磁场从而保证等离子体停留足够长的时间以引发核聚变的产生，使得炙热的等离子体反应并燃烧。反应堆本身主要是自我维持的，这意味着它能够持续的加热等离子体以维持热核条件。反应堆产生的热将加热用于旋转涡轮机并发电的冷却剂，这类似于典型原子动力反应堆的工作原理。

创造一个磁场有好几种方法，这对于维持核聚变反应持续进行是至关重要的。华盛顿大学的反应堆设计被称为球形马克Spheromak(一种自组织的环形等离子体形态)，这意味着它通过驱动电流至等离子体里就能够产生大部分的磁场。这极大的减少了所需要的材料量，使得研究人员能够缩减反应堆的整体大小。

其它的设计，例如目前正在法国建造的实验性核聚变反应堆项目国际热核聚变实验堆(ITER)，它就比华盛顿大学的设计要大得多，因为它依赖于环绕设备外部的超导线圈提供相似的磁场。与法国的核聚变反应堆概念相比，华盛顿大学的设计成本要低廉得多——大约是ITER的1/10——但同时产生的能量是前者的5倍。

华盛顿大学的研究人员计算了使用他们的设计所建造的核聚变反应堆发电厂所耗费的成本，并与建造燃煤电厂的成本进行对比。他们使用了名为隔夜资金成本的度量，后者包括所有的成本，尤其是初始基础设施费用。分析显示一个核聚变发电厂产生10亿瓦特的电量需要耗费27亿美金，而一个燃煤电厂产生相同的电量需要耗费28亿美金。

“如果我们投资这种类型的核聚变，我们肯定可以获得回报，因为这种商业反应堆看起来已经很经济，这真是令人激动不已。”而现在，华盛顿大学研究小组的概念只是实际产品大小和能量产出的1/10，因此还有很多年需要努力。目前研究人员测试了原型高效维持等离子体的能力，随着他们不断研发和扩张设备的大小，他们可以提升到更高温度的等离子体并获得更大的核聚变能量产出。

研究小组已经在华盛顿大学商业化中心就反应堆的设计概念申请了专利，他们计划继续研发并扩大原型的规模。研究小组的其他成员还包括物理学的凯尔•摩根(Kyle Morgan);航空航天学的艾瑞克•拉文(Eric Lavine)、米加•修斯(Michal Hughes)、乔治•马克林(George Marklin)、克里斯•汉森(Chris Hansen)、布莱恩•维克托(Brian Victor)、迈克尔•普法夫(Michael Pfaff)和亚伦•海萨克(Aaron Hossack);电子工程学的布莱恩•尼尔森(Brian Nelson)以及前华盛顿大学的上川宇(Yu Kamikawa)和菲利普•艾德尔斯特(Phillip Andrist)。这项研究得到了美国能源部的资金赞助。(编译/严炎 刘星)