據(jù)《科學(xué)》雜志網(wǎng)站近日報(bào)道，歐盟負(fù)責(zé)聚變研發(fā)工作的機(jī)構(gòu)——歐洲聚變發(fā)展協(xié)會(EFDA)發(fā)布了歐盟聚變示范電站(DEMO)設(shè)計(jì)與開發(fā)路線圖，計(jì)劃于2050年建成一座未來可供工業(yè)界使用的原型聚變電站。該路線圖列出了一份令人生畏的技術(shù)清單，其中包括全球聚變科學(xué)家和工程師未來數(shù)十年需要努力應(yīng)對的若干技術(shù)挑戰(zhàn)。

ITER將是聚變發(fā)電的主要突破

2006年，由中國、歐盟、印度、日本、俄羅斯、韓國和美國等7個成員國參加的“國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃”正式啟動。聚變反應(yīng)堆利用的是氫同位素(氘和氚)的核聚變反應(yīng)所釋放的能量，這也是太陽和其他恒星的能量來源。利用可控聚變能是解決全球能源和環(huán)境問題的一個重要途徑，而實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)堆商業(yè)化運(yùn)行需要三個階段：即建造ITER裝置并據(jù)此進(jìn)行科學(xué)和工程研究；設(shè)計(jì)、建造與運(yùn)行聚變示范電站；建造商業(yè)化聚變反應(yīng)堆。ITER裝置是一個能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的超導(dǎo)托克馬克，俗稱“人造太陽”。其中心是高溫氘氚等離子體環(huán)，等離子體環(huán)在屏蔽包層的環(huán)型包套中，屏蔽包層將吸收核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的所有中子。根據(jù)該計(jì)劃目前的進(jìn)展，建造于法國的聚變反應(yīng)堆將于6年后投入運(yùn)行，它被認(rèn)為是人類發(fā)展聚變能的主要突破。

在聚變反應(yīng)堆中，需要利用強(qiáng)磁體、無線電波和粒子束等將聚變?nèi)剂系入x子體壓縮并加熱到至少1.5億攝氏人造太度，使等離子體發(fā)生聚變反應(yīng)。這需要消耗巨大能量，但迄今為止尚沒有一座反應(yīng)堆能夠產(chǎn)生凈能量增益(即產(chǎn)出能量大于輸入能量)。科學(xué)家期望ITER能夠突破上述障礙，輸入50兆瓦(1兆相當(dāng)于100萬)的能量可以產(chǎn)生500兆瓦的聚變功率，其持續(xù)時間可保持?jǐn)?shù)分鐘。但這僅是一種科學(xué)驗(yàn)證，ITER本身將不能被用來發(fā)電，發(fā)電重任將交給其后繼者——聚變示范電站。

然而，目前研究人員才剛開始考慮聚變示范電站的設(shè)計(jì)工作。從目前的各種跡象來看，聚變示范電站的設(shè)計(jì)和建造工作將不會被納入全球性的合作計(jì)劃。最近韓國宣布它正在從事聚變示范電站(K-DEMO)的初步設(shè)計(jì)工作；中國也已開始設(shè)計(jì)“中國聚變工程測試反應(yīng)堆”，這是介于ITER和聚變示范電站之間的中間步驟。歐洲聚變發(fā)展協(xié)會制定的路線圖雖并未排除國際合作，但將所有研究工作限定在歐盟2014年到2020年聚變預(yù)算范圍之內(nèi)。

歐盟聚變示范電站研發(fā)路線圖

該路線圖認(rèn)為，人類在利用聚變發(fā)電方面取得進(jìn)展的關(guān)鍵在于ITER，因此需要傾力確保其成功，其中包括研究現(xiàn)有小型反應(yīng)堆的各種運(yùn)營方案。路線圖指出，最大的技術(shù)挑戰(zhàn)是如何從未來的聚變反應(yīng)堆中排除核反應(yīng)后的廢氣。

ITER和其他類似的現(xiàn)代反應(yīng)堆底部都有一個偏濾器，其作用之一就是從等離子體容器中卸去乏燃料。當(dāng)?shù)入x子體接觸到偏濾器固態(tài)表面時，它將吸收大量熱量。ITER偏濾器是由不銹鋼制成，外表用鎢層覆蓋。在研究用反應(yīng)堆中，由于其正常運(yùn)行時的能量較低，且每次運(yùn)行時間最多為數(shù)分鐘，這種偏濾器可以正常工作。但聚變示范電站在正常運(yùn)行時將會持續(xù)產(chǎn)生吉瓦級(1吉瓦等于1000兆瓦)的能量，常規(guī)的偏濾器無法承受如此高的熱載。因此，路線圖指出，研究人員必須開發(fā)其他備用設(shè)計(jì)方案。替代方案可能會設(shè)法擴(kuò)大等離子體與偏濾器的接觸面積以減少熱載，或允許等離子體在接觸偏濾器前輻射出更多熱量。歐洲聚變發(fā)展協(xié)會指出，未來需要利用現(xiàn)有合適的托克馬克裝置或?qū)ｉT新建的測試設(shè)施對替代方案進(jìn)行測試。

另一個技術(shù)挑戰(zhàn)是，利用何種材料制造反應(yīng)堆內(nèi)等離子體容器的結(jié)構(gòu)、表面覆層和面向等離子體部件。聚變堆中等離子體發(fā)射的高能中子、電磁輻射對上述材料具有強(qiáng)烈作用，因而需要開發(fā)出能夠在數(shù)十年內(nèi)承受中子不間斷轟擊的材料，但現(xiàn)有中子源的強(qiáng)度都不能滿足這種測試的需求。科學(xué)家正在研發(fā)一種以基于加速器的中子源(ITER計(jì)劃的一部分)，但歐洲聚變發(fā)展協(xié)會認(rèn)為不久就需要研發(fā)其他中子源。

歐洲聚變發(fā)展協(xié)會還需要對“產(chǎn)氚包層(也稱實(shí)驗(yàn)包層)”進(jìn)行深入研究。產(chǎn)氚包層是等離子體容器壁的一部分，反應(yīng)堆產(chǎn)生的中子在此將鋰轉(zhuǎn)變?yōu)楹巳剂想?。需要開發(fā)替代方案的包層設(shè)計(jì)，以應(yīng)對擬在ITER進(jìn)行測試的包層設(shè)計(jì)可能出現(xiàn)的失敗。該路線圖要求工業(yè)界更多地參與聚變示范電站的各項(xiàng)設(shè)計(jì)和建造工作，因?yàn)橐坏┻@些工作完成之后，工業(yè)界就必須承擔(dān)發(fā)展聚變能的重任。此外，還需要加強(qiáng)等離子體理論和建模等各項(xiàng)工作。

作為最主要的備用計(jì)劃，路線圖倡導(dǎo)繼續(xù)堅(jiān)持仿星器的設(shè)計(jì)和開發(fā)工作。仿星器是一種替代性聚變反應(yīng)堆，其最大優(yōu)點(diǎn)是能夠連續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行。上世紀(jì)60年代當(dāng)托克馬克受到人們青睞時，對其重視程度有所降低。德國的溫特爾斯坦仿星器7-X(即W7-X)將于2014年建成，科學(xué)家在W7-X反應(yīng)堆安裝了一種叫“仿星器”的設(shè)備，旨在模仿恒星內(nèi)部持續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)。(鄭煥斌)

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