专家组称,美国应该准备建立一个原型聚变发电厂

专家组称,美国应该准备建立一个原型聚变发电厂

新的国家科学院,工程学和医学院的报告呼吁美国融合计划的完全复兴,自20世纪90年代以来,它没有像普林斯顿等离子体物理实验室的国家球形圆环实验那样建造托卡马克。

Elle Starkman / PPPL Communications( )
专家组称,美国应该准备建立一个原型聚变发电厂

正好赶上假期,一组顶尖科学家提出了一项美国核聚变研究计划,该计划就像一份愿望清单。 美国国家科学院,工程学和医学院今天发布的一份报告说,美国应该坚持有争议的ITER项目,这是一个非常昂贵的聚变反应堆,目前正在法国Cadarache附近建造。 报告称,即使美国退出ITER,也应该准备建立自己的聚变发电厂作为后续行动。 为了做到这一切,美国应该每年增加2亿美元的融资研究开支,即35%。

19位成员报告委员会的共同主席,哥伦比亚大学的融合物理学家Michael Mauel和伊利诺伊州芝加哥大学的粒子物理学家Melvyn Shochet说,该报告反映了更广泛的融合社区的意愿。 “我们非常认真地倾听社区,特别是一些在该领域非常活跃的年轻科学家,我们从科学家那里听到的是希望继续融合能量,”Mauel说。 “我们不只是研究这个问题,我们试图看看它是否确实有效。”

在核聚变中,轻核融合形成更重的核并释放能量。 这个过程为太阳提供动力,几十年来,物理学家一直致力于将融合变成地球上的实际动力源。 它们的主要方法是使用磁场来限制和挤压称为托卡马克的圆环形装置中的氘和氚的电离气体或等离子体,使氘和氚熔合形成氦。 ITER的目标是成为第一个获得“燃烧等离子体”的托卡马克,通过融合产生更多的能量,而不是泵入设备以维持等离子体,这是发展聚变能量的关键里程碑。

然而,ITER有一段困难的历史。 该项目于1986年首次提出,作为苏联和美国之间的共同努力,于1998年选择退出,但仅在2003年重新加入。当时该项目耗资100亿美元,美国覆盖占总数的9%。 从那时起,ITER的成本激增,仅美国的份额将在47亿美元到65亿美元之间,而且时间表已经下滑; 直到2028年才预计第一个等离子体.ITER已经成为一个政治足球, 拨款人 ,而同行则 。 对于2019财政年度,美国将向ITER捐款1.32亿美元,远远低于该项目最佳的2.5亿美元捐款。

给出了不确定性,2016年5月,能源部(DOE)要求国家科学院研究如何在该国仍然在ITER并且退出的情况下最好地推进美国的聚变能源科学。 今天在华盛顿特区发布的这份252页的报告只提出了两条建议:美国仍然在ITER项目中,并且它正在为所谓的紧凑型试验工厂(CPP)进行研究和开发。 CPP本质上是一个原型发电厂,与ITER不同,它能够连续运行并发电。 事实上,报告认为,建立一个CPP的案例非常引人注目,即使美国决定撤出ITER,美国也应该推行这些计划。

其他国家的研究人员也计划在ITER之后建造原型发电厂。 例如,欧洲的科学家计划建立一个示范电站或DEMO。 但是,CPP将通过利用高温超导材料,计算和等离子体物理学的最新进展来制造比当前设计更小且更便宜的聚变反应堆,从而与这些计划不同。 例如,预计DEMO将远大于ITER。 相比之下,CPP大约是ITER的八分之一。 要做到这一点,必须使用由高温超导体制成的磁铁,其磁场强度是ITER磁场的两倍。

美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室主任史蒂文考利说,该报告为美国聚变社区提供了一个鼓舞人心的愿景。 “根本的信息是,美国的融合计划必须有一个通过并产生一些千瓦功率的野心,”他说。 “如果你没有开发第一个聚变发电厂的目标,那么进行融合计划有什么意义呢?”

然而,考利很快补充说,研究人员还不知道如何建立CPP并且在他们之前有多年的研发。 他说,他们还需要从ITER获得的知识。 Mauel指出,如果美国退出ITER,它必须在建立CPP之前建立自己的类似实验。 他说,这只会使这个过程更长,更昂贵。 他说,“ITER周围没有捷径”。

一个显而易见的问题是,国会是否愿意为美国能源部的聚变能源科学计划增加资金,该计划每年为5.64亿美元。 “考虑到[美国能源部]的优先考虑,我认为在20年内每年增加2亿美元是非常不可能的情况,”加州帕洛阿尔托斯坦福大学的副总裁威廉·马迪亚说,他是DOE的长期观察员。 然而,众议院的一名民主党工作人员表示,这一呼吁不应该被解雇。 “我不会说这些数字与可能的情况完全不同步,”这位职员说,他没有被授权在记录上发言。

该报告未达到能源部实现CPP目标的具体计划。 “我没有看到任何可行的预算方案,直到社区聚集在一起并说明他们要做什么以及他们不会做什么,”Madia说。 事实上,美国能源部已指控其聚变能源科学咨询委员会提出这样一项长期计划,该计划将于2020年12月到期。但过去,融合界一直在努力团结这些长期计划。 。

观察家普遍认为,ITER项目现在比几年前更具可信度,降低了美国退出的可能性。 这归功于 。 “我喜欢我过去几年所看到的,这是因为伯纳德的所作所为,”马迪亚说。 事实上,ITER已经足够稳定,它面临的最大问题可能是美国对该项目的落后贡献,众议院工作人员指出。 众议院的工作人员表示,“它的形状要好得多,但它已经从国际组织变成了最大的问题,而美国是最大的问题。”