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几十年来,融合一直是我们技术时代的炼金术。那么,英国计划在2040年前建设具有商业可行性的聚变电站的可行性如何?

在实验室中实现氢同位素的融合之后,核聚变科学在1930年代初得到了证明。我们每天都看到融合在行动。包括我们的太阳在内的恒星都是巨大的自持聚变反应堆。

恒星中的聚变通过强大的引力将物质压缩在一起,迫使原子融合并变得更重,从而释放能量。然而,在地球上的聚变反应堆中复制该过程是复杂的,并且提出了重大的工程挑战。

在许多方面,融合与炼金术具有共同的特征。就像炼金术士花了数十年的生命试图将其他金属变成金一样,聚变是允许轻质原子核结合形成较重原子核并产生不同化学元素的过程。

使得炼金术士走下去的是,由于黄金显然确实存在,因此必须以某种方式创造黄金。他们当时没有意识到的是,重元素(例如金)实际上是通过聚变产生的-尽管在垂死的恒星中发生了聚变,爆炸后将物质散布到太空中。因此,融合与炼金术之间的联系比人们所意识到的更为紧密。对于任何现代炼金术士而言,可悲的是,由于启动原子之间的聚变反应所需的大量能量,利用地球上的聚变进行的尝试需要轻质元素起作用,因此金不会成为副产品。

聚变反应堆通过将氢同位素过热到超过1500万摄氏度来运行,该温度与太阳一样高。这产生等离子体,这是物质的第四状态。等离子体被压缩,例如使用磁体将氢同位素融合在一起,产生氦气和向外发射的高速中子。它们每个反应释放17.6MeV(兆电子伏特)的能量,比典型化学燃烧中的能量大约1000万倍。

不同于将重原子分解的核裂变,核聚变将轻原子压缩在一起。 这意味着融合产生的有害废物少得多。 中子轰击使聚变工厂具有轻微的放射性,但是这些放射性产物寿命短。 因此,Fusion提供了诱人的潜力,可为几乎无限的气候友好型能源生产,而不会带来放射性废物的阴影。

试验反应堆,例如英格兰库伦(Culham)的欧洲联合圆环(Jet)核聚变,尽管时间很短,但已证明是可行的。 挑战在于将这些实验性反应器转变为正在进行的商业可行的过程。 为此,它将需要产生比保持聚变反应进行所需的功率更多的功率。

几十年来,我们已经承诺,商业融合发电厂将在30年内存在。早在1955年,物理学家Homi J Bhabha就宣称我们将在二十年内拥有聚变能力。此主张以及此后的许多其他主张都屡屡未能实现。希望是永恒的,但融合似乎总是相距遥远。

我们了解融合在理想条件下如何运作。不幸的是,现实很少是理想的。融合是一项工程挑战,而不是科学挑战。英国核先进制造研究中心首席执行官安德鲁·斯托尔(Andrew Storer)说:“最大的挑战不是科学,而是科学家现在必须提供切实可行的知识这一事实。”

但是,情况可能会发生变化。去年,英国政府宣布了他们的计划,即到2040年之前使核聚变反应堆全面运转。该计划的第一阶段一直在制定用于能源生产(阶梯式)球形托卡马克聚变反应堆的总体规划,这是英国聚变研究独有的设计。现在正在寻找合适的英国阶梯式反应堆场址。

同时,法国的Iter聚变反应堆目前已完成70%的建造,并有望在2025年实现首个等离子体
但是,要在20年内建成一个可以全面运行,商业上可行的聚变反应堆是一项艰巨的任务。相比之下,欣克利角C型核裂变反应堆预计在2025年之前建成。从提议到完成,将花费15年的时间,并将使用自1950年代以来一直存在的现有核裂变技术。

同时,法国的Iter聚变反应堆目前已完成70%的建造,并有望在2025年实现首个等离子体。这将是一个完全运行的示范聚变反应堆,提供500兆瓦的聚变功率-如果转换为电能,则足以为利物浦大小的城市提供动力。

英国原子能管理局首席执行官伊恩·查普曼说:“关于Iter的事情太多了,几乎就像是科幻小说。” “有一块磁铁落在Iter的中间,这是最大的磁铁。产生的电磁脉冲可以将飞机从海中升起。”

但是,Iter与英国的阶梯式反应堆的设计有很大不同。 Iter使用甜甜圈形反应器设计,但Step将使用球形托卡马克设计,这种设计更紧凑。尺寸的减小将意味着磁体可以更小,从而可能节省数百万磅。

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