實現商業化核融合發電沒有想像中那麼遙遠!

作者 : Maurizio Di Paolo Emilio,EE Times歐洲特派記者

一家名為General Fusion的公司正在研發一種運用磁場的核融合發電技術,並與加拿大核子實驗室積極合作,開發可運用於商業化核融合發電廠的氚萃取流程。

太陽和其他恆星之所以能製造出龐大能量,靠的是核融合反應。這些宇宙中的大熔爐產生的高溫和高壓,足以驅動氫原子碰撞並互相融合。

我們在地球上要如何運用同樣的原理產生能源呢?一家名為General Fusion的公司正在研發一種運用磁場的核融合發電技術,並與加拿大核子實驗室(Canadian Nuclear Laboratories)積極合作,開發可運用於商業化核融合發電廠的氚(tritium)萃取流程。

除了加拿大,英國的原子能管理局(U.K. Atomic Energy Authority,UKAEA)也與General Fusion合作,打造英國境內的核融合示範廠Fusion Demonstration Plant。在該座位於庫爾漢姆(Culham)的新設施竣工後,General Fusion將與UKAEA簽訂長期租約,用以展示該公司的核融合技術,並為未來的第一座試營運商業發電廠奠定基礎。

General Fusion商業發展總監Jay Brister表示,私人企業持續為核融合技術的發展投入資金,至今已累積超過20億美元;「世界各地的監管機構現在都在探索發展核融合技術必要的授權問題。核融合發電能夠幫助那些正在因應氣候變遷的國家實現零碳排目標。」

Brister指出,像是美國的核融合產業協會(Fusion Industry Association)與其他相似組織正積極地與政府單位合作,建立商業化核融合發電的法規架構。英國的Regulatory Horizons Council (EETT編按:評估創新技術所帶來的影響以及如何安全導入實際應用,為政府提供政策建言的獨立專家顧問委員會)也正進行類似的工作。」

隨著研發資金逐漸到位,更實際、可行的核融合技術也逐漸成形,並可望成為充足、可靠的電力來源。儘管如此,許多障礙依舊存在。例如現有的輸電網路必須升級才能支援多樣的電力來源。Brister表示:「能源網會隨時間演化,尤其是當更多的再生能源加入輸電行列。核融合的其中一個好處是能量密度高,需要使用的土地面積小。而由於核融合發電廠可以靠近用電地興建,也使得電力傳輸的距離縮短,土地使用的效率更高。」

他補充指出:「電力網路正朝著分散式的特性發展,具備能提供一個規模的在地化、可調度電力來源,並與再生能源互補,會是其關鍵。核融合會成為廣泛的潔淨能源選項之一。 」而核融合發電的支持者認為,這個產業會加入太陽能與風力發電的行列,在減少碳排放以及解決氣候變遷等方面發揮更大的作用。

Brister斷言:「全球都在設法對抗氣候變遷,世界各地的能源供應商也紛紛升級基礎設施,以減少碳排放量。一個強健的電力系統需要穩定的能源,也需要間歇性能源,核融合不只不受天氣影響,更可以按需求供應,可望成為再生能源絕佳的新選擇。」

這種零碳排「穩定」能源同時具備滿足用電需求、取代老舊基礎設施的效果。Brister補充:「到2050年,全球電力需求估計會是現在的三倍。要滿足不斷成長的需求,核融合對電力公司來說,會是發電技術組合中的一個有力的額外選項。」

 

核融合技術揭密。

(圖片來源:General Fusion)

 

磁化定位核融合

電磁鐵是由圍繞著一個機械物體的線圈所構成,當電力流過線圈,會在其內外產生磁場,磁場的強度則會隨著線圈纏繞的圈數等比例成長。然而,銅線具有電阻,會造成部分能源以熱的形式被耗散。如果線圈接通是間歇性並因此有冷卻的時間,電阻產生的熱能就不是問題。

由鈮鈦合金(niobium-titanium)製成的超導磁鐵在低溫下沒有電阻,這讓線圈不必散熱也能長時間處理大電流。但像是鈮鈦合金等材料需要大型、昂貴的極低溫冷卻系統才能使用。

General Fusion採用一種稱為磁化定位核融合(Magnetized Target Fusion,MTF)的電漿圍束(plasma confinement)方法,只需要使用以脈衝式為基礎運作的簡單電磁鐵,就能實現可循環的核融合反應。其運作原理如下:

  • 在一個容器中裝入液態金屬,使其旋轉直到金屬中央形成空腔。
  • 將氫電漿注入所產生的空腔中。
  • 將氫電漿壓縮並加熱至超過攝氏1億度,直到產生核融合反應。

Brister表示:「核融合產生的熱能會加熱周圍的液態金屬壁,在我們的商業試營運電廠中,金屬壁的熱能會被轉用於製造蒸氣,再由蒸汽推動渦輪機,並產生電力。」MTF將電磁鐵運用於電漿注入器中,注入器會產生一個電漿環,並透過旋轉運動製造磁場,形成粒子雲。電漿環會在短暫的壽命期間被壓縮至核融合反應需要的溫度和壓力。

電漿粒子沿著磁場線流動,在完全不碰觸金屬壁的情況下循環。如此一來可防止高熱的核融合電漿因碰觸到液態金屬而冷卻。在電漿核心加熱的過程中,磁場做為了完美的絕熱體。Brister表示,在這個過程中,反應爐的牆壁溫度可以維持足夠的低溫,因此能夠做為發電廠結構的一部份。

General Fusion聲稱MTF有四大關鍵優勢:

  • 原料耐久性:液態金屬襯裡可以為MTF結構抵擋核融合反應釋放的中子,解決面對電漿的材質受到結構性傷害的問題──又被稱為第一壁(first wall)問題。
  • 燃料生產:核融合流程第一步是在反應爐中填入液態金屬,旋轉至中心形成空腔後,將氫電漿注入其中。Brister解釋:「我們使用高速的數位控制系統同步管理500個獨立的高功率活塞,將電漿壓縮至足夠發生核融合的狀態。整個壓縮過程在數毫秒內發生,當電漿被液態金屬壓縮至產生核融合反應後,會釋放出能量與氚元素;這些氚原子會被擷取用作燃料。
  • 能量轉換:在試營運電廠中,金屬壁的熱能會被轉用於製造蒸氣,再由蒸汽推動渦輪機,並產生電力。
  • 能源經濟:General Fusion聲稱MTF不論在製造或規模化上都相當單純,因為它採用的是簡單的電磁鐵,不需要使用昂貴的雷射。

 

過熱電漿(Superheated plasma)是實現核融合發電的關鍵。

(圖片來源:General Fusion)

 

一切只是時間問題

Brister認為,核融合商業化沒有我們想像中那麼遙遠;General Fusion在英國建造的示範廠將為MIF技術的效能與經濟效益提供佐證。「我們可以透過這個方式逐漸擴展至商業化的發電廠;」他表示:「為實現此目標,我們會在類似發電廠的環境下建立核融合的條件,但先不生產電力。示範廠會製造出中子,在過程中蒐集的數據將為我們提供打造商業化先導發電廠所需的資訊。」

General Fusion計畫在2022年開始興建商業化先導發電廠,可望在2025年開始運轉。Brister表示:「我們將運用示範廠中學到的知識,打造能夠產生電力的商業化先導發電廠。在氣候變遷的時間壓力下,我們預計能在2030年前為家庭、商業,還有工業提供核融合能源。」

 

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年10月號

責編:Judith Cheng

(參考原文:The Race to Build a Commercial Fusion Reactor,By Maurizio Di Paolo Emilio)

 

 

 

 

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