強(qiáng)大的全新鋼制托卡馬克反應(yīng)堆致力于最終實(shí)現(xiàn)核聚變發(fā)電的宏偉目標(biāo)。

在法國普羅旺斯地區(qū)深處，憑借其有利的地質(zhì)、水文和地震條件以及便捷的供水供電優(yōu)勢，坐落著一個(gè)占地180公頃的龐大設(shè)施，這是國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）的容身之地。

傳統(tǒng)發(fā)電廠是將化石燃料燃燒或者核裂變釋放的熱能轉(zhuǎn)換成蒸汽，以蒸汽推動(dòng)渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。這兩種方法雖然都是可靠的動(dòng)力來源，但他們卻會(huì)通過排放或放射性廢棄物對環(huán)境產(chǎn)生影響。

然而，如果有一種方法可以在不產(chǎn)生有害共生產(chǎn)品的情況下生成這種熱能將會(huì)如何？這就是核聚變發(fā)電的夢想！目前正在開展一項(xiàng)通過原子聚變產(chǎn)生大量能量的實(shí)驗(yàn)。

與太陽發(fā)熱發(fā)光的過程一樣，兩個(gè)氫原子碰撞在一起，結(jié)合成一個(gè)氦原子，發(fā)生聚變。聚變過程在不產(chǎn)生放射性裂變產(chǎn)物的情況下產(chǎn)生大量能量。

創(chuàng)建這一過程要面臨嚴(yán)峻的工程挑戰(zhàn)，因?yàn)榫圩兎磻?yīng)必須精準(zhǔn)控制在正在產(chǎn)生大量能量的空間內(nèi)。

鋼制真空室中的能量

在ITER設(shè)施中正在建設(shè)世界上最大的托卡馬克反應(yīng)堆。這臺(tái)實(shí)驗(yàn)機(jī)器是以上世紀(jì)60年代蘇聯(lián)模型為基礎(chǔ)開發(fā)的，在其中心有一個(gè)環(huán)形真空室。

這個(gè)真空室重5200噸，體積為1400立方米，是迄今為止同類中最大的。因此，物理學(xué)家們在操作過程中更容易控制產(chǎn)生有效聚變能所需的反應(yīng)。

ITER的實(shí)驗(yàn)將在這個(gè)鋼制真空室內(nèi)進(jìn)行，包括聚變反應(yīng)。該真空室完全密封，是主要的安全防護(hù)屏障。在真空室內(nèi)，氫燃料承受著巨大的熱量和壓力，轉(zhuǎn)變成熱的帶電氣體，即等離子體。

這種真空環(huán)境提供了輻射屏蔽，并能支持等離子體的穩(wěn)定性，而在雙層鋼壁之間循環(huán)的冷卻水系統(tǒng)安全地去除了反應(yīng)堆反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的熱量。這一點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)楹司圩兎磻?yīng)所需的溫度在1.5~3億攝氏度之間。

磁場的能量

真空室內(nèi)部呈環(huán)形，使得內(nèi)部的等離子粒子在不接觸鋼壁的情況下連續(xù)循環(huán)。這種超熱等離子體被由1萬噸超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的磁場控制在托卡馬克反應(yīng)堆里。

當(dāng)溫度保持在-269℃時(shí)，ITER能夠產(chǎn)生比傳統(tǒng)磁體更強(qiáng)的磁場，它使用“高性能、內(nèi)部冷卻的超導(dǎo)體”，其中的超導(dǎo)線捆綁在一起，裝在結(jié)構(gòu)性鋼套中。

這種產(chǎn)生磁場的方法也比其他方法更便宜，能耗更低，因而成為支持核聚變發(fā)電所需的大型磁體系統(tǒng)的唯一可行選擇。

真空室及其超導(dǎo)磁體系統(tǒng)都處于ITER低溫恒溫器內(nèi)，里面可提供超低溫真空空間。真空室的空間有16,000立方米，是迄今已建造的最大的不銹鋼高真空壓力室。

反應(yīng)堆內(nèi)的極端溫差，使不銹鋼成為一種理想的材料選擇。由于能在高溫和低溫下保持性能不變，還具有高延展性和硬度，不銹鋼成為ITER不可替代的組成部分。

預(yù)計(jì)托可馬克裝置將于2025年投入運(yùn)行，聚變物理學(xué)家希望這將是發(fā)電行業(yè)的一次巨變。雖然近乎無限的清潔能源前景不可預(yù)測，但是如果我們能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化的核聚變，我們利用鋼的力量來實(shí)現(xiàn)持續(xù)能源的前景就已經(jīng)清晰可見了。

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