2018-10-10 15:32:01
新的设计可以帮助下一代聚变发电厂释放多余的热量

在工业研究人员的帮助下,麻省理工学院的一次集体演习为发展实用聚变发电厂面临的一个长期挑战带来了一个创新的解决方案:如何消除会对发电厂造成结构性损坏的过热。

这种新的解决方案是通过使用高温超导磁体的紧凑型聚变反应堆的创新方法实现的。这种方法为今年在麻省理工学院启动的大规模新研究项目和创建独立的创业公司来发展这一概念奠定了基础。新的设计不同于典型的核聚变装置,它可以打开装置的内部腔室并更换关键部件;这种能力对于新提出的排热机制至关重要。

这一新方法在《融合工程与设计》杂志上的一篇论文中有详细介绍,该论文由该班研究生亚当·邝与其他14名麻省理工学院学生、三菱电气研究实验室和联邦融合系统的工程师以及麻省理工学院等离子科学与融合中心主任丹尼斯·怀特教授共同撰写,他教授了这门课。
怀特解释说,本质上,核聚变装置内部的散热可以与汽车排气系统相比较。在新的设计中,“排气管”比当今任何一种融合设计都要长得多,也更宽,这使得它能更有效地排出不想要的热量。但是,实现这一目标所需的工程需要大量复杂的分析和对许多可能的设计方案的评估。

驯服融合血浆
fusion利用太阳本身的反应来提供能量,有望最终利用海水中的燃料——氘、一种重形式的氢和锂——产生清洁、充足的电力,因此燃料供应基本上是无限的。但是几十年来对这种发电厂的研究仍然没有导致一种设备能够产生与其消耗的能量一样多的能量,更不用说能够产生净能量输出的设备了。

然而,今年早些时候,麻省理工学院关于一种新型核聚变装置的提议——以及其他人正在探索的其他几项创新设计——最终使得实际核聚变发电的目标似乎触手可及。但是几个设计挑战仍有待解决,包括一种有效的方法,从被限制在设备内部的超高温带电材料(称为等离子体)中释放内部热量。

聚变反应堆内部产生的大部分能量是以中子的形式发出的,中子加热聚变等离子体周围的物质,称为覆盖层。在发电厂中,这种加热的毯子又会被用来驱动发电涡轮机。但是大约20 %的能量是以等离子体本身的热量的形式产生的,这种热量必须以某种方式消散,以防止它熔化形成腔室的材料。

没有任何材料足够坚固,能够承受聚变装置内部的等离子体的热量,该热量达到数百万度的温度,因此等离子体被强大的磁体保持在适当位置,防止其与环形聚变室的内壁直接接触。在典型的融合设计中,单独的一组磁体被用来产生一种侧室来排出多余的热量,但是这些所谓的分流器不足以满足新的紧凑工厂的高热需求。

电弧设计的一个理想特征是,它将在比相同输出的传统电抗器所需的小得多的设备中产生功率。但是这意味着更多的能量被限制在更小的空间里,因此有更多的热量需要排出。

“如果我们对排热没有采取任何措施,这个机制会自行瓦解,”该论文的主要作者邝说,他描述了该团队解决的挑战——最终解决了这个问题。

内勤
在传统的聚变反应堆设计中,产生分流器的次级磁线圈位于初级线圈之外,因为根本没有办法将这些线圈放入固体初级线圈中。这意味着次级线圈需要大而有力,以使它们的磁场穿透腔室,因此它们在如何控制等离子体形状方面不是非常精确。

但是麻省理工学院发起的新设计,被称为ARC (先进的,坚固的和紧凑的),以分段内置磁铁为特征,这样它们就可以被移除以供使用。这使得能够进入整个内部并将次级磁体放置在主线圈内部而不是外部。邝说,有了这种新的安排,“只要把它们移近[等离子体,它们的体积就会大大缩小。”

在为期一学期的研究生班22.63 (融合工程原理)中,学生们被分成小组来解决排热挑战的不同方面。每个团队首先进行彻底的文献搜索,看看哪些概念已经被尝试过,然后他们集思广益,想出了多个概念,并逐渐淘汰了那些没有被推广的概念。那些有希望的被测试者接受了详细的计算和模拟,部分基于几十年来对研究融合设备的研究数据,比如麻省理工学院的阿尔卡特C - Mod,该设备两年前退役。c - Mod的科学家布莱恩·拉博巴德也分享了对新型分流器的见解,三菱的两名工程师也与该团队一起工作。课程结束后,几名学生继续研究这个项目,最终找到了这篇新论文中描述的解决方案。仿真证明了他们决定的新设计的有效性。

怀特说:“我们发现的东西真的令人兴奋。”结果是分流器越来越长,越来越大,并能更精确地控制等离子体。因此,他们可以处理预期的高热负荷。

怀特说:“你想让‘排气管’尽可能大。”他解释说,将次级磁体放置在初级磁体内部使得这成为可能。“对于发电厂设计来说,这确实是一场革命,”他说。他说,电弧设计磁铁中使用的高温超导体不仅能使一个紧凑、高功率的发电厂变得更加强大,“而且还提供了许多选择”,以不同的方式优化设计——事实证明,包括这种新的分流器设计。

该团队表示,从长远来看,既然基本概念已经发展起来,还有很多进一步发展和优化的空间,包括这些次级磁体的确切形状和位置。研究人员正致力于进一步开发设计细节。

怀特说:“这为思考聚变装置中的分流器和热量管理开辟了新的途径。”

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