美國 Helion Energy 公司的第6 臺(tái)聚變發(fā)生器原型Trenta已超過 1 億攝氏度。Helion Energy的突破性技術(shù)包括使用脈沖聚變系統(tǒng)和小型裝置，并使用由氘和氦 3 (D-3He) 制成的燃料。達(dá)到這樣的溫度證明了該系統(tǒng)是可靠的，并證實(shí)了 Helion Energy 的項(xiàng)目使用他們的脈沖聚變、無點(diǎn)火裝置來開發(fā)中性發(fā)電廠

Helion Energy 的一位代表解釋說，能源效率是 Helion 方法的基礎(chǔ)?！拔覀冎苯訉⒕圩兡苻D(zhuǎn)化為電能，這意味著我們不需要“點(diǎn)火”，并且可以以低得多的凈能量 [Q] 值產(chǎn)生凈電能。我們現(xiàn)在面臨的挑戰(zhàn)主要是工程挑戰(zhàn)，而不是科學(xué)挑戰(zhàn)?！?/p>

聚變能

通過為氣候變化提供可靠的基本能源解決方案，F(xiàn)usion能夠滿足日益增長的能源需求。該公司認(rèn)為，依賴可再生能源并不是應(yīng)對(duì)氣候危機(jī)的正確關(guān)鍵。世界需要新的突破性解決方案，而核聚變可以解決不斷增長的需求。

因此，增加對(duì)聚變能源技術(shù)開發(fā)的投資正在導(dǎo)致人們對(duì)創(chuàng)造豐富可靠的電力解決方案持樂觀態(tài)度。

盡管如此，融合仍面臨挑戰(zhàn)和障礙：其中之一涉及電網(wǎng)升級(jí)的需要。Helion Energy 的一位代表解釋說，他們的技術(shù)并非如此：“Helion 的聚變發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，使用少量燃料，并且可以 24/7 全天候運(yùn)行。因此，Helion 電力設(shè)施的主要優(yōu)勢之一是它們可以直接插入現(xiàn)有的傳輸基礎(chǔ)設(shè)施并取代當(dāng)前基于化石燃料的發(fā)電，而無需對(duì)額外的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行大量投資。電網(wǎng)級(jí)傳輸基礎(chǔ)設(shè)施是與傳統(tǒng)聚變方法相關(guān)的大規(guī)模千兆瓦級(jí)電力的需求，” Helion 代表說。

他還補(bǔ)充說：“聚變是零碳基荷動(dòng)力的豐富來源，但與裂變不同的是，聚變不會(huì)產(chǎn)生失控的連鎖反應(yīng)。如果出現(xiàn)問題，融合就會(huì)停止。聚變也不產(chǎn)生任何長期廢物，也不能武器化，”

Helion Energy 的 Trenta原型

Helion Energy 的系統(tǒng)由磁鐵組成，這些磁鐵從 40 英尺加速器的兩端將兩個(gè) FRC 加速到 100 萬英里/小時(shí)。然后它們在中心碰撞。當(dāng) FRC 在系統(tǒng)中心碰撞時(shí)，它們會(huì)被磁場壓縮，直到達(dá)到融合溫度。在此溫度下，氘和氦 3 離子快速移動(dòng)，克服相互排斥的力，使離子結(jié)合或融合。這會(huì)釋放能量，等離子體膨脹，推回磁場。磁場的變化會(huì)感應(yīng)出電流，從而為電力負(fù)載供電（圖 1）。

Trenta 在聚變條件下合并和壓縮高 Beta 場反轉(zhuǎn)配置 (FRC) 氘等離子體，在高于 8 keV 離子溫度和 1 keV 電子溫度的情況下批量實(shí)現(xiàn) 9 keV 總等離子體溫度（超過 1 億攝氏度）。2018 年，其第5代原型產(chǎn)生了 7 T 的磁場，并在高密度下達(dá)到了 2 keV 的離子溫度。

圖 1：Helion 的系統(tǒng)框圖（來源：Helion Energy）

場反轉(zhuǎn)配置 (FRC) 設(shè)備以自穩(wěn)環(huán)面的形式將等離子體限制在閉合的磁場線上。它們與 spheromak 一起被認(rèn)為是緊湊型環(huán)形融合設(shè)備的一部分。FRC 裝置的等離子體通常比球狀體拉長。

通過 X 射線光譜、1550 nm 干涉測量、軔致輻射光發(fā)射測量和中子診斷進(jìn)行的一系列分析證實(shí)了 Trenta 在熱核聚變條件下的廣泛和可重復(fù)運(yùn)行。在測試期間進(jìn)行了廣泛的 MJ 級(jí)放電，包括在熱核聚變條件下聚變和壓縮高 β 場反轉(zhuǎn)配置 (FRC) 氘等離子體以及相關(guān)的聚變產(chǎn)物通量。

“FRC 是一種穩(wěn)定、自給自足的等離子體，可以加速并過熱至 100 M°C+。此外，F(xiàn)RC 具有高 Beta 值，可以直接重新捕獲電力，并且不需要粒子束、激光、超導(dǎo)體或反物質(zhì)，”Helion 代表說。

“無論天氣或一天中的什么時(shí)間，我們的設(shè)施都可以連續(xù)運(yùn)行，這是基荷電源的理想選擇。此外，它們結(jié)構(gòu)緊湊，可在 20,000 平方英尺的空間內(nèi)產(chǎn)生 50 MW 的電力。此外，我們的聚變?nèi)剂洗罅看嬖谟谒?。地球的海洋含有足夠的聚變?nèi)剂希梢栽诓挥绊懎h(huán)境的情況下為地球提供數(shù)十億年的動(dòng)力。一杯 Helion 的聚變?nèi)剂蠈a(chǎn)生足夠一個(gè)家庭使用 865 年的電力。Helion 的代表說，如果不考慮補(bǔ)貼或規(guī)模經(jīng)濟(jì)，從第一天起，Helion 產(chǎn)生的基本負(fù)荷電力預(yù)計(jì)將與化石燃料具有成本競爭力。

擁有能夠支持聚變能源的電源管理技術(shù)是必不可少的。Kirtley 說，Helion 的脈沖磁聚變方法的一項(xiàng)使能技術(shù)是高功率半導(dǎo)體開關(guān)，它能夠高效、快速地將能量輸入到聚變反應(yīng)中。

“現(xiàn)代千兆赫級(jí)光纖觸發(fā)、監(jiān)控和現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 處理使 Helion 的聚變系統(tǒng)能夠可靠、同步和高效地運(yùn)行。在發(fā)電機(jī)規(guī)模上，提供可靠且可調(diào)節(jié)的電力的能力使 Helion 能夠負(fù)載跟隨現(xiàn)有的可再生能源發(fā)電，從而無需新的電力管理或存儲(chǔ)技術(shù)，”Helion 代表說。

聚變能的發(fā)展是一項(xiàng)世界級(jí)的挑戰(zhàn)，涉及許多國際科學(xué)、技術(shù)和工業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者。他們都將自己的經(jīng)驗(yàn)和技能用于為革命性技術(shù)服務(wù)。先進(jìn)的計(jì)算解決方案還可以使用高度復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型來描述等離子體的物理特性并模擬其行為。當(dāng)聚變技術(shù)成熟到可以應(yīng)用于工業(yè)時(shí)，它將開創(chuàng)一個(gè)前所未有的局面，最終可以保證清潔、安全和可持續(xù)能源的廣泛供應(yīng)。

審核編輯 黃昊宇