聚变突破将如何助力清洁可再生能源

核聚变被许多人视为清洁、可再生能源的圣杯。

尽管自上世纪 20 年代就开始了研究，这个过程有望在未来提供能源，但科学家们尚未克服这一过程的技术问题和经济情况。

然而，科学家们计划在 2025 年启动第一个聚变反应堆，该反应堆将产生超过运行所需的能量。这将在经济上证明替代电网贡献观念的可行性。

实现这个理想还有很长的路要走。核工程师 Chase Taylor 是核研究机构爱达荷国家实验室的高级研究员。他正在努力解决其中的一些问题，这将使可商业化的聚变反应堆成为可能。

发电厂通过将机械能（如涡轮机旋转）转化为电能来发电。这些电厂依靠化石燃料、核裂变或水力等可再生资源来驱动涡轮机。

裂变为当前的发电核反应堆提供动力。核裂变通过分裂原子释放热能。反应产生的能量加热水，水产生蒸汽驱动涡轮机，最终产生电能。

裂变有很多好处。它提供非常可靠、低排放的能源，经久耐用，并且在所有能源中具有最低的年死亡率。众所周知，先进的裂变反应堆系统可以在更小的封装中进一步放大其优势，甚至比目前的设计具有更强的安全性能。

正如切尔诺贝利和福岛事件所表明的那样，设计或管理不当的裂变反应堆系统可能变成危险源。大型电厂的初始资本投资很高，如不进行回收，其废物需要长期储存。

聚变是一个独立的过程，它是一种核反应，低质量的原子核融合形成一个更重的原子核，同时释放能量。这就是太阳的动力来源。

聚变反应堆使用氢同位素氘和氚作为燃料。同位素是一种化学元素的变体，在原子核中有不同数量的中子。

聚变燃料的供应几乎是无限的。科学家可以在与锂接触的聚变反应过程中产生氚，而在海水中也可以发现氘。尽管海水中只有一小部分氘元素，但聚变燃料充满了我们的海洋，给我们提供了几乎无限的燃料供应。聚变的另一个好处是聚变反应堆不会发生失控的灾难性核事件，比如熔毁。

“这是根本不可能发生的事情，” Taylor 说道。“这并不是说聚变反应堆的工程是安全的，这只是聚变的物理特性。简单来说，一旦出现问题，聚变反应就会停止。这就是聚变如此具有挑战性的原因。”

但是聚变也有一些缺点。事实证明，控制聚变反应十分困难。氢弹是基于不受控制的聚变反应。如果同样数量的能量能够以可控的方式逐步释放，聚变就能实现其预期目标。

聚变还会对电厂系统和一些放射性废物造成辐射损害，且最初的运营成本也很高。

聚变利用等离子体中的这些同位素，等离子体是一种对电场有反应的流动气体，就像荧光灯中的气体一样。聚变反应堆将这种气体加热到极高的温度，并用磁铁压缩。

但是一些材料会泄漏出来，并撞击在环形反应堆内壁的钨砖上。聚变反应堆产生中子，这些中子可以穿透到内壁深处，并为氘和氚提供流动路径。这是聚变过程中的一个低效率环节，也是一个潜在的安全问题。

“我们想搞清楚用作燃料的氘和氚有多少被滞留在钨砖中，以及被困的深度。” Taylor 说道。

从监管的角度来看，运营商在一个设施中只允许使用一定量的氘和氚。这些同位素的用途是产生能源，如果其中一部分滞留在反应堆容器壁，氘和氚就无法产生热量，最终也不能产生电力。但是，这部分同位素仍然被计入运营商的监管限制。这是一个必须克服的效率问题。

“通过研究氘和氚穿透墙壁的程度和深度，我们可以更好地理解这个过程。”他说道。

有两种标准技术可用于测量渗入容器壁的氚总量。一种方法是加热钨砖样品，煮沸掉所有被困的氘和氚。科学家用四极质谱仪进行测量。但这并不能确定同位素被困在样品中的深度。

第二种也是较少使用的技术便是核反应分析。遗憾的是，该技术仅限于几微米的深度，在钨中能探测的深度介于 3 到 8 微米之间。除此之外，无法探测任何比这更深的东西。

“部分观点认为，这项技术（核反应分析）遗漏了滞留在样品中的氘或氚总量的 90%。” Taylor 说道。“因此，基于该技术，很难判断在一次事故场景中实际上有多少氘和氚被滞留。”

而 Taylor 找到了一种敏感的技术，可以帮助他更深入地观察样品。

这项技术就是 辉光放电发射光谱法 (GD-OES) 。它测量样品中存在的元素、浓度水平，当然还有材料渗入钨砖的深度。

GD-OES 深入探查样品，表征其成分并测量放射性物质的穿透深度。

“很少有技术对氘和氚敏感，” Taylor 说道。“但光发射光谱法是此类敏感技术之一。而且这项技术还能让我们在样品中快速查看 100 微米的深度，这远远超过了目前聚变材料领域的标准能力。”

这也有助于确定氘和氚是否从背面流出，渗入磁砖还是仅仅滞留在中间。

Taylor 使用 HORIBA GD-Profiler 2 GD-OES GD-OES 仪器进行分析。

GD-Profiler 2 支持所有相关元素的快速、同时分析，包括氮、氧、氢和氯。它是薄膜和厚膜表征以及工艺研究的理想工具。

“本质上是为了管理聚变燃料循环”他说。

同位素会发生浸透或渗透。了解浸透或渗透的程度和深度可以让科学家设计系统以解释同位素的损失。

“如果氘或氚会渗透到第一层，我们需要在后面的第二层控制它，”他说。

Taylor 运行一个线性等离子体装置，模拟聚变反应堆能量最大的部分。他用这种线性等离子体装置将氘和氚注入钨砖。

“这样我们就知道有多少氘和氚撞击了钨砖，”他说。“然后我们移除（钨砖）并将其带到辉光放电系统，测量实际滞留在里面的同位素量，以及滞留的深度。”

他将这些信息输入模型，这样科学家就可以推断出其他条件。它有助于建立一个数据库，显示各种条件下材料渗透到墙壁中的程度。这些条件包括通量或每秒钟撞击钨砖的粒子数量；温度（范围在 200 到 1200 摄氏度之间）；以及聚变反应的副产品氦的浓度。

一项名为“ITER”的大型国际合作项目正在法国南部建造一座聚变反应堆，ITER 在拉丁语中的意思是“道路或旅程”。科学家设计这个反应堆是为了证明核聚变作为大规模无碳能源的可行性。

ITER 将是世界上第一个产生净能量的聚变装置——产生的总能量超过加热等离子体所需的能量。它有望成为第一个测试聚变发电商业生产所需的集成技术、材料和物理机制的聚变装置。

合作成员于 1985 年启动了联合实验。ITER 成员包括中国、欧盟、印度、日本、朝鲜、俄罗斯和美国。

“如果成功，那么商业实体将开始研发自己的聚变反应堆，” Taylor 说道。“由于发展和监管问题，我们可能还需要几十年的时间。”

当年作为一名本科生，Taylor 正在做一份与裂变相关的实习。

“我当时参加了一个关于核聚变的午餐研讨会，这给我留下了深刻的印象。直到那时我才真正听说核聚变。”

聚变科学的高度复杂性吸引了他。

“我本来打算去读研究生，第二年夏天我获得了一个聚变科学领域的实习机会，这很酷。”

Taylor 获得了核工程硕士和博士学位，他的研究重点就是聚变材料。现在，他的未来将有助于确定地球的健康状况。

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