建设中的核聚变

核聚变是在地平线上 - 与它,新的建设工作

麻省理工学院(MIT)的科学家们距离利用核聚变来实现清洁能源的未来还有一段距离,而这一转变承诺需要数百万美元的建设资金和数千个新的就业岗位
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反应堆由被带到地球上的微型恒星提供动力,宇宙飞船由取之不尽的能源驱动,飞驰向星际目的地。

这听起来像是科幻小说,但麻省理工学院(MIT)的科学家们表示,他们正在朝着一个全新的能源未来迈出重要的第一步,利用核聚变的巨大能量。

麻省理工学院和马萨诸塞州初创公司联邦聚变系统(Commonwealth Fusion Systems)的合作将于今年夏天开始在聚变试验反应堆SPARC上开展工作。

研究人员说,如果一切顺利,可以模仿太阳产生能量的方式,即将氧化碳排放到零的碳排放量,从现在开始击中电网。

然而,这种类似的科幻故事可能对美国和世界各地的建筑和工程领域具有非常彻底的影响,引发了一系列承包商和熟练商人和妇女的需求,从电工工人到木匠和管道。

“核聚变可以产生比我们需要的更多的能量,”他说Ranganathan葛是田纳西州孟菲斯大学的机械工程教授。

“它可能成为我们的主导能源。您已经捕获了一个太阳 - 您将拥有您所需的所有能源,“Gopalakrishnan涉及他自己的研究项目围绕使用核融合来产生权力。

更接近现实

虽然核聚变的研究已经进行了几十年,但麻省理工学院最近的发展可能预示着期待已久的突破。

核聚变复制了发生在太阳和其他恒星内部的两个原子核融合的过程,释放出巨大的能量。

与分裂原子的裂变不同,聚变反应产生的废料相对较少,氢同位素聚变形成氦。

核聚变反应器将使用电磁波或其他方法诱导融合反应,加热厂核心内的燃烧等离子体,以高达180万度的温度。

麻省理工学院的科学家已经开发出一种新型的高磁场高温超导磁体,他们相信可以解决建造聚变反应堆的长期技术问题——如何保持过热的等离子体在适当的位置并远离反应堆壁。

超导体磁体反过来可以为建造比预期更小、更便宜的反应堆铺平道路。

计划的SPARC测试反应堆可能会花费220亿美元的迭代项目,这是一个国际支持的核聚变测试反应堆在法国建设中,当完整时,将是曲棍球体育场的规模。

这个由麻省理工学院领导的项目背后的科学原理于2020年9月以七篇发表在《科学》杂志特刊上的研究论文的形式全面阐述等离子体物理学杂志

根据麻省理工学院新闻办公室出版的故事,四十七名研究人员详细介绍了“新融合系统的理论和经验物理基础”。

“这项工作可能改变国际核聚变项目的游戏规则,”威斯康星大学麦迪逊分校的工程物理学教授克里斯·赫格纳(Chris Hegna)在文章中说。

一场能源革命

麻省理工学院研究人员和融合启动CFS现在正在寻找数十英亩,用于建立其测试反应堆,SPARC,一个专注于东北部的搜索。

虽然选址尚未宣布,但初步计划于2021年6月开始建设,联邦聚变已经筹集了2亿美元。

如果SPARC被证明是成功的,随着一种新的、清洁的能源的出现,21世纪30年代将成为世界历史上的一个分水岭,这将真正结束长期以来改变气候的化石燃料统治。

虽然太阳能和风能等可再生能源预计将在这一转变中发挥重要作用,但核聚变可能使技术上的另一个巨大飞跃成为可能,以可持续的方式显著增加可用能源的数量。

“我们面临很多气候挑战,”通用原子公司(General Atomics)董事兼高级顾问利奥·霍兰德(Leo Holland)说。“一百年后,我们可能需要比现在更多的能源。如果你需要的人均能源是我们现在生产的三到四倍,我要去哪里才能达到这样的规模?核聚变将提供你需要的资源。”

这可能为从无碳发电到深空探索的所有领域开辟新的可能性。

Armed with funding from NASA and other agencies, Princeton Satellite Systems is researching Direct Fusion Drive rockets far faster than even today’s most advanced propulsion systems, reducing the trip to Saturn to two years, down from the nearly seven it took NASA’s Cassini spacecraft in the early 2000s.

一个可行的聚变反应堆反过来可以带动全国乃至世界各地的聚变发电厂的建设,因为城市都在转换成新的能源。

专家们说,虽然反应堆内部的机械设备肯定需要专门的制造技术,但电力和混凝土承包商以及工程公司的需求将非常大。

“几乎每个国家和世界的每个主要城市都希望拥有一个,”孟菲斯大学的Gopalakrishnan说。

没有估计需要计算融合反应堆的建造工作,但传统的裂变反应堆提供粗略的模板。

据行业倡导组织核能研究所(Nuclear Energy Institute)称,在建设高峰期间,每个裂变工厂需要多达3500个建筑工作岗位,包括木匠、电工、钣金工、泥瓦匠、重型设备操作员和管道安装工。

虽然能源的来源将是革命性的,但反应堆的建造方式将与今天的发电厂没有太大的不同。

“他们构建的方式不会是独一无二的,”Comemborth Fusion Systems的CSO被布兰登·斯托伯姆说,注明融合将为热源“用于为涡轮机供电的工作流体提供热源。”

“这意味着我们能够利用现有的基础设施,劳动力和建筑公司,这些公司拥有建设传统发电厂的经验,可以轻松过渡到建立未来的融合电厂,”索尔伯姆说。

那就是,Gopalakrishnan说,在美国和全球核电站工作的承包商将特别高的需求。

他说,可能还需要先进的施工技术,比如在反应堆外壳内嵌入混凝土或其他材料,配备既能传输数据又能自我修复的高度精密的监视器。

目前在核电站建设领域工作的承包商——在美国,随着传统核裂变工厂建设的减少,数量正在减少——肯定会拥有可转移的技能,这将给他们带来优势。

“他们已经拥有了很多经验,可以使用许多精致的系统,让您对错误的错误较少,”Gopalakrishnan说。

前面的路

当然,核聚变革命可能需要更长的时间来通过,麻省理工学院具有比其他研究人员更具侵略性的时间表。

如果一切顺利,大型ITER项目的核聚变实验要到2035年才会开始。美国和其他几十个国家正在为该项目提供资金。

通用原子荷兰公司预计核聚变将在本世纪40年代至本世纪60年代之间实现,而要想实现这个目标,美国政府的研究资金将远远超过目前承诺的数额。

“这是一个漫长的地平线,”荷兰说。“如果我们能够更快地工作,我们可以将这些建筑计划移动到左边的一两年或二十年。”

然而,随着核聚变研究在美国和世界各地取得进展,很可能在第一个试验反应堆投入使用之前就导致建筑服务需求的上升。

仅SPARC试验反应堆项目就预计耗资5亿美元,一旦找到场地,还需要各种研究和总部设施。

而且,如果麻省理工学院支持的初创公司“联邦聚变系统”(Commonwealth Fusion Systems)如愿以偿的话,那么等待的时间可能不会像业内一些人预期的那么长。

该公司发言人克里斯汀·卡伦(Kristen Cullen)表示:“CFS设想建造数千座核聚变发电厂,为全世界提供电力。”“我们的目标是在21世纪30年代初建成第一个核聚变发电厂。”

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