圖片來源：STEP

近年來，核聚變經(jīng)歷了某種程度的復(fù)興，許多初創(chuàng)企業(yè)和政府都在認(rèn)真研究這一想法。英國科學(xué)家現(xiàn)在展示了一種新型反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)有望在 2040 年為電網(wǎng)提供電力。

盡管人們認(rèn)為核聚變技術(shù)還需要 20 年才能實(shí)現(xiàn)，但近年來，隨著人們越來越樂觀地認(rèn)為核聚變技術(shù)可能最終會實(shí)現(xiàn)，核聚變投資熱潮已經(jīng)出現(xiàn)。據(jù)核聚變工業(yè)協(xié)會稱，去年新增 9 億美元融資，總?cè)谫Y額達(dá)到 71 億美元。

這種樂觀情緒似乎并未因國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)的重大推遲而受到打擊。國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆是一項(xiàng)國際合作，長期以來一直被視為核聚變的旗艦項(xiàng)目。基于從國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆和其他公共資助實(shí)驗(yàn)中獲取的知識，許多初創(chuàng)公司現(xiàn)在押注他們能夠以極少的時(shí)間和成本交付小型核聚變反應(yīng)堆。

但推動該技術(shù)商業(yè)化的不僅僅是私營部門。2019 年，英國政府提供了 3 億英鎊的資金，用于設(shè)計(jì)一種新型 200 兆瓦反應(yīng)堆，即球形托卡馬克能源生產(chǎn)系統(tǒng) (STEP)。在最近發(fā)表在《皇家學(xué)會哲學(xué)學(xué)報(bào) A》上的一系列論文中，其設(shè)計(jì)者現(xiàn)在展示了他們的想法。

最常見的核聚變反應(yīng)堆設(shè)計(jì)是托卡馬克，它加熱一團(tuán)電離氣體，即等離子體，直到原子融合在一起，并在這一過程中產(chǎn)生巨大的能量。等離子體被包裹在環(huán)形反應(yīng)堆容器周圍的磁鐵線圈產(chǎn)生的極強(qiáng)磁場所控制。

據(jù)《科學(xué)》雜志報(bào)道，STEP 遵循類似的原理，但又高又窄，更像一個(gè)去核的蘋果。雖然這看起來可能沒有太大的區(qū)別，但這意味著反應(yīng)堆容器中心與環(huán)繞它的磁鐵之間的距離比傳統(tǒng)的托卡馬克要小。

據(jù)《金融時(shí)報(bào)》報(bào)道，距離的縮短使得使用更小、更便宜的磁鐵來容納等離子體成為可能，并使整個(gè)設(shè)計(jì)更加緊湊。球形托卡馬克的形狀也會產(chǎn)生更穩(wěn)定的等離子體，這應(yīng)該會提高性能。然而，這種設(shè)計(jì)確實(shí)有其弊端。

聚變反應(yīng)堆通常使用兩種氫同位素燃料，即氘和氚。然而氚極其稀有，因此反應(yīng)堆通過金屬鋰與聚變反應(yīng)釋放的中子之間的反應(yīng)來產(chǎn)生自己的氚。這種鋰儲存在包裹在反應(yīng)室周圍的氚增殖毯中，這些增殖毯也可作為輻射屏蔽來保護(hù)磁鐵。

托卡馬克中心的孔洞通常裝有大型磁鐵和增殖毯。但由于球形托卡馬克設(shè)計(jì)較窄，因此空間要小得多，因此 STEP 反應(yīng)堆必須取消增殖毯并大幅縮小磁鐵尺寸，甚至取消部分磁鐵。

幸運(yùn)的是，許多私營初創(chuàng)公司也在使用新型高溫超導(dǎo)帶，它可以幫助制造更緊湊的磁鐵。但反應(yīng)堆必須僅使用腔室外壁上的覆蓋層來產(chǎn)生足夠的氚，這意味著該團(tuán)隊(duì)必須使用液態(tài)鋰和釩合金來設(shè)計(jì)出優(yōu)化的設(shè)計(jì)。

反應(yīng)堆設(shè)計(jì)者還選擇了一種雄心勃勃的結(jié)構(gòu)，磁體中有接頭，這樣就可以打開反應(yīng)堆的頂部。這將大大加快維護(hù)工作，從而降低運(yùn)營成本。

然而，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人保羅·梅思文告訴《科學(xué)》雜志，最近公布的設(shè)計(jì)還遠(yuǎn)未塵埃落定。盡管該項(xiàng)目已經(jīng)找到了一個(gè)地點(diǎn)——諾丁漢郡的一個(gè)退役燃煤發(fā)電站——但該項(xiàng)目目前正在與英國政府進(jìn)行談判，以確保獲得四年的資金來制定最終藍(lán)圖。

因此，該反應(yīng)堆是否能投入使用仍有待觀察。但看到政府投入大量資金推動該技術(shù)的發(fā)展，令人鼓舞。