聚變能聽起來似乎好的令人難以置信——零溫室氣體排放，沒有長久存在的放射性廢棄物，它是一種幾乎無限量的能源供應。而采用聚變能面臨的最大障礙可能是經(jīng)濟學問題。核聚變發(fā)電設計還沒有便宜到可以取代現(xiàn)有的利用化石燃料，例如煤炭和天然氣的系統(tǒng)。美國華盛頓大學的工程師們希望改變這一現(xiàn)狀。他們設計了一種概念核聚變反應器，但它變成大型電廠的規(guī)模時，將可以與相似電量產(chǎn)出的燃煤火力發(fā)電廠所耗費成本相當。研究小組的核聚變反應堆設計以及成本分析研究于去年春天被發(fā)表，它將在10月17日俄羅斯圣彼得堡召開的國際原子能機構的聚變能會議上展示。

“就目前為止，這一設計具有產(chǎn)生非常經(jīng)濟的核聚變發(fā)電的巨大潛力。” 華盛頓大學的航空學教授和物理學副教授托馬斯•賈爾伯(Thomas Jarboe)這樣說道。華盛頓大學研究小組設計的這個名為dynomak的反應堆始于賈爾伯兩年前帶的一門課的課堂項目。在課程結束后，賈爾伯和他的博士研究生德里克•薩瑟蘭(Derek Sutherland)——他之前在美國麻省理工學院做過反應堆設計的研究——繼續(xù)發(fā)展并修改了這一概念。

這一設計是建立在現(xiàn)有技術的基礎上，在封閉空間里創(chuàng)造了一個磁場從而保證等離子體停留足夠長的時間以引發(fā)核聚變的產(chǎn)生，使得炙熱的等離子體反應并燃燒。反應堆本身主要是自我維持的，這意味著它能夠持續(xù)的加熱等離子體以維持熱核條件。反應堆產(chǎn)生的熱將加熱用于旋轉(zhuǎn)渦輪機并發(fā)電的冷卻劑，這類似于典型原子動力反應堆的工作原理。

創(chuàng)造一個磁場有好幾種方法，這對于維持核聚變反應持續(xù)進行是至關重要的。華盛頓大學的反應堆設計被稱為球形馬克Spheromak(一種自組織的環(huán)形等離子體形態(tài))，這意味著它通過驅(qū)動電流至等離子體里就能夠產(chǎn)生大部分的磁場。這極大的減少了所需要的材料量，使得研究人員能夠縮減反應堆的整體大小。

其它的設計，例如目前正在法國建造的實驗性核聚變反應堆項目國際熱核聚變實驗堆(ITER)，它就比華盛頓大學的設計要大得多，因為它依賴于環(huán)繞設備外部的超導線圈提供相似的磁場。與法國的核聚變反應堆概念相比，華盛頓大學的設計成本要低廉得多——大約是ITER的1/10——但同時產(chǎn)生的能量是前者的5倍。

華盛頓大學的研究人員計算了使用他們的設計所建造的核聚變反應堆發(fā)電廠所耗費的成本，并與建造燃煤電廠的成本進行對比。他們使用了名為隔夜資金成本的度量，后者包括所有的成本，尤其是初始基礎設施費用。分析顯示一個核聚變發(fā)電廠產(chǎn)生10億瓦特的電量需要耗費27億美金，而一個燃煤電廠產(chǎn)生相同的電量需要耗費28億美金。

“如果我們投資這種類型的核聚變，我們肯定可以獲得回報，因為這種商業(yè)反應堆看起來已經(jīng)很經(jīng)濟，這真是令人激動不已。”而現(xiàn)在，華盛頓大學研究小組的概念只是實際產(chǎn)品大小和能量產(chǎn)出的1/10，因此還有很多年需要努力。目前研究人員測試了原型高效維持等離子體的能力，隨著他們不斷研發(fā)和擴張設備的大小，他們可以提升到更高溫度的等離子體并獲得更大的核聚變能量產(chǎn)出。

研究小組已經(jīng)在華盛頓大學商業(yè)化中心就反應堆的設計概念申請了專利，他們計劃繼續(xù)研發(fā)并擴大原型的規(guī)模。研究小組的其他成員還包括物理學的凱爾•摩根(Kyle Morgan);航空航天學的艾瑞克•拉文(Eric Lavine)、米加•修斯(Michal Hughes)、喬治•馬克林(George Marklin)、克里斯•漢森(Chris Hansen)、布萊恩•維克托(Brian Victor)、邁克爾•普法夫(Michael Pfaff)和亞倫•海薩克(Aaron Hossack);電子工程學的布萊恩•尼爾森(Brian Nelson)以及前華盛頓大學的上川宇(Yu Kamikawa)和菲利普•艾德爾斯特(Phillip Andrist)。這項研究得到了美國能源部的資金贊助。(編譯/嚴炎 劉星)