如何分離對反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)有損害的余熱

長期以來，聚變堆面臨的一個挑戰(zhàn)是：如何分離對反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)有損害的余熱。在研究人員的幫助下，MIT 的一個課堂練習(xí)最終為聚變電站的發(fā)展提供了一項(xiàng)新穎的解決方案。

利用高溫超導(dǎo)磁鐵設(shè)計(jì)的緊湊型聚變堆是該方案的創(chuàng)新之處。這種新方法為 MIT 今年新的研究項(xiàng)目奠定了基礎(chǔ)，同時還成立了一家初創(chuàng)公司對這一概念進(jìn)行研發(fā)。新設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的聚變堆不同，它的內(nèi)部腔室可以打開，關(guān)鍵的組件也可以替換。對于最新提出的排熱機(jī)制而言，這種性能至關(guān)重要。

圖丨具有緊湊，高強(qiáng)度電場特性的 ARC 聚變堆的概念設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)結(jié)合了最新研究的創(chuàng)新點(diǎn)來控制等離子體的排熱問題。

該方案的具體細(xì)節(jié)參見《聚變工程與設(shè)計(jì)》雜志的一篇論文。論文作者包括參與該課程的研究生 Adam Kuang、另外 14 名 MIT 學(xué)生、三菱電機(jī)研究實(shí)驗(yàn)室和 Commonwealth Fusion Systems 公司的工程師，以及 MIT 等離子體科學(xué)與聚變中心的丹尼斯·懷特（Dennis Whyte）教授。懷特教授也是這門課的授課老師。

據(jù)懷特介紹，本質(zhì)上講聚變堆內(nèi)部排熱可以與汽車排氣系統(tǒng)進(jìn)行類比。在新設(shè)計(jì)中，聚變堆的“排氣管”比現(xiàn)今任何聚變設(shè)計(jì)都更長、更寬，使得它能更有效地排出余熱。但該設(shè)計(jì)在工程實(shí)現(xiàn)上需要大量復(fù)雜分析，同時還要對許多可能的替代設(shè)計(jì)進(jìn)行評估。

馴化聚變等離子體

太陽內(nèi)部的反應(yīng)即為聚變。聚變能的最終目的是利用氘和鋰產(chǎn)生清潔能源。氘是氫的同位素，可以從海水中提取，所以聚變堆的燃料供應(yīng)是無限的。但人們進(jìn)行了數(shù)十年的聚變研究，仍然沒有造出輸出能量等于消耗能量的聚變裝置，更不用說有凈能量輸出的聚變裝置了。

今年早些時候，MIT 提出的新型聚變堆，結(jié)合其它人提出的一些創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)用型聚變電站似乎觸手可及。但仍有一些設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)亟需解決，包括如何有效地從高溫帶電等離子體中將熱量分離從來。

聚變堆內(nèi)部產(chǎn)生的能量主要以中子的形式釋放出來，這部分能量會加熱包裹著等離子體的包層。對于一個有電力輸出的反應(yīng)堆，加熱的包層可以用于驅(qū)動渦輪機(jī)。但等離子體本身也會產(chǎn)生 20% 的熱量，這部分熱量必須分離出來以防反應(yīng)堆腔室材料被熔毀。

在聚變裝置內(nèi)部，等離子體的溫度到達(dá)數(shù)百萬度，沒有材料能夠承受這種溫度。所以，要用高強(qiáng)度磁鐵來約束等離子體，以防它與環(huán)型腔內(nèi)壁有直接接觸。傳統(tǒng)的聚變設(shè)計(jì)中會使用一組單獨(dú)的磁鐵形成的側(cè)室來排出余熱。但對于新的緊湊型反應(yīng)堆而言，這些所謂的偏濾器無法承受它所產(chǎn)生的熱量。

ARC 設(shè)計(jì)的一個亮點(diǎn)是，相比于傳統(tǒng)反應(yīng)堆，輸出同樣功率所需裝置體積要小得多。但這也意味著在更小的空間內(nèi)束縛更多能量，所以有更多熱量需要排出。

“如果我們在余熱排除上無所作為，裝置會崩潰，”論文第一作者 Kuang 說。這是團(tuán)隊(duì)所面臨的挑戰(zhàn)，這一問題最終也得以解決。

內(nèi)部工作

傳統(tǒng)聚變堆設(shè)計(jì)中，由于無法將次級磁性線圈置于實(shí)心的初級線圈內(nèi)部，形成偏濾器的次級線圈只能置于初級線圈之外。這意味著次級線圈要足夠大、足夠強(qiáng)，這樣才能讓磁場貫穿腔室。但這樣做的結(jié)果是，它們不能精確控制等離子體的形狀。

MIT 的設(shè)計(jì)被稱為 ARC（advanced, robust, compact——先進(jìn)、堅(jiān)固、緊湊），其特性為磁鐵分段安裝，可以拆卸檢修。這就使得整個內(nèi)部是可以利用的，能將次級線圈放在主線圈之內(nèi)。有了這種新的布置，“只需將它們移近等離子體就可以大大縮小尺寸，”Kuang 說。

圖丨 ARC 的概念設(shè)計(jì)，組件依次為：1. 等離子體；2. 新設(shè)計(jì)的偏濾器；3. 銅線圈；4. 高溫超導(dǎo)體（HTS）極向場線圈，用來對偏濾器內(nèi)的等離子體塑形；5. FLiBe 包層，液態(tài)材料，用于吸收中子熱量；6.HTS 環(huán)形場線圈，對主環(huán)的等離子體塑形；7.HTS 中央電磁閥；8. 真空腔室；9. FLiBe 罐；10. 環(huán)形勵磁線圈的接頭，可以打開并進(jìn)入內(nèi)部。

在《聚變工程原理》這門研究生課程期間，學(xué)生們組隊(duì)解決散熱難題的各個分支。每個團(tuán)隊(duì)首先要進(jìn)行全面的文獻(xiàn)檢索，看哪些概念已經(jīng)被嘗試過了。然后他們再集思廣益，提出很多概念，并逐漸淘汰那些不成功的設(shè)計(jì)。那些有希望的設(shè)計(jì)要經(jīng)過進(jìn)一步詳細(xì)計(jì)算與模擬。他們的研究一部分是基于數(shù)十年來的研究數(shù)據(jù)，比如 MIT 兩年前退役的 Alcator C-Mod 聚變裝置。C-Mod 科學(xué)家布萊恩·拉邦巴的（Brian LaBombard）也分享了有關(guān)新型偏濾器的見解，三菱的兩位工程師也與團(tuán)隊(duì)合作研究。一些學(xué)生在課程結(jié)束后仍繼續(xù)參與項(xiàng)目，最終帶來了論文中的研究成果。模擬結(jié)果表明了新設(shè)計(jì)的有效性。

“我們的發(fā)現(xiàn)很令人振奮，”懷特說。研究成果是更長、更大的偏濾器，它可以更精確地控制等離子體。因此，它們可以應(yīng)付高強(qiáng)度熱負(fù)荷。

“我們想讓‘排氣管’盡可能大，”懷特說，并解釋說次級磁鐵置于初級磁鐵內(nèi)部的做法使得這成為可能?！斑@對聚變堆而言是一次革命，”他說。利用高溫超導(dǎo)體，ARC 的磁鐵設(shè)計(jì)不僅更緊湊，“還為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了很多選擇”，包括這種新型偏濾器的設(shè)計(jì)。

展望未來，既然基本的概念設(shè)計(jì)已經(jīng)提出，就有很大空間進(jìn)行研發(fā)與優(yōu)化，包括次級磁鐵的具體形狀與位置。研究人員正致力于進(jìn)一步細(xì)化設(shè)計(jì)的研究。

“這為聚變裝置的偏濾器設(shè)計(jì)和熱量分配開辟了新思路，”懷特說。

英國約克大學(xué)物理學(xué)教授布魯斯·利普丘茲（Bruce Lipschultz）雖然沒有參與到這項(xiàng)工作，但是他表示：“ARC 的所有工作都令人大開眼界，并且刺激了托卡馬克堆的新研究方案?！彼f，這篇新論文“將該領(lǐng)域的新想法與托卡馬克概念中許多其它重大改進(jìn)相結(jié)合。ARC 對偏濾器的研究表明，將其應(yīng)用到反應(yīng)堆上并非如別人所說的那樣是不可能的?！?/p>

利普丘茲還補(bǔ)充道：“這是一項(xiàng)高質(zhì)量研究，它為托卡馬克對展示了前進(jìn)方向并刺激的新的研究。”