General Fusion 正在开发一种实用的磁化目标融合 (MTF) 方法

袭击一些国家的极端天气事件促使许多人质疑气候变化是否比以前恶化得更快。温室气体排放是气候变化的主要驱动因素，主要来自人类活动。当燃烧化石燃料来发电和供热时，CO 2 会释放出大气中的热量并增加地球的温度。因此，必须通过各种解决方案（例如使用清洁的可再生能源）来消除 CO 2排放。聚变能源是一种满足净零目标的清洁能源

聚变是太阳和恒星产生能量的方式。太阳有一个极端具有导致氢原子碰撞和融合的温度和压力的操作环境。General Fusion 正在研究使用磁场的聚变能，并且正在与加拿大核实验室合作开展一个旨在推进聚变能技术的项目。通过此次合作，General Fusion 和加拿大核实验室将开发用于商业聚变发电厂的氚提取技术。此外，英国原子能管理局 (UKAEA) 已宣布与 General Fusion 达成协议，将在英国建造其聚变示范工厂 (FDP)。在 Culham 建造新设施以举办 FDP 后，General Fusion 将与 UKAEA 签订长期租约。FDP 将展示 General Fusion 的专有磁化目标融合 (MTF) 技术，  

General Fusion 首席业务发展官 Jay Brister 在接受《电力电子新闻》采访时强调，私人聚变能源投资正在增加，迄今为止，对私人聚变公司的投资已超过 20 亿美元。 

“世界各地的监管机构也在探索支持聚变能源所需的授权。聚变能源将使希望向净零碳排放过渡以实现其气候目标的国家受益。聚变工业协会及其成员正在与政府机构合作，为美国的商业聚变能源制定监管框架。在英国，监管视野委员会正在走类似的道路，”布里斯特说。

对聚变能研究和开发的投资增加，促使人们更加现实地将这项技术视为提供充足和可靠电力的可行选择。但仍然存在障碍，包括需要升级现有电网以支持日益多样化的能源供应组合。

“电网将随着时间的推移而发展——尤其是随着更多可再生能源的实施。聚变的优点之一是能量密集且需要最少的土地使用。聚变能源发电厂还将减少对长输电线路的需求，因为它们可以建在能源需求来源附近，从而更好地利用土地，”布里斯特说。

他补充说：“电网走向的分配性质——能够提供一个规模可以补充可再生能源组合的本地化和可调度来源将是关键。它将成为更广泛的清洁能源组合的一部分。”

融合未来

可再生能源无疑是未来。聚变能源的支持者表示，他们的行业必须与太阳能和风能一起参与到减少排放和解决气候变化的讨论中。

“随着世界寻求应对气候变化，全球能源供应商正在升级其基础设施以减少碳排放。强大的能源系统既需要稳定的电力，也需要间歇性的电力。聚变能源按需提供且不受天气影响，使其成为可再生能源的绝佳补充，”布里斯特说。

无碳企业电力为减少排放和满足未来几年不断增长的电力需求提供了绝佳机会。Brister 说，由于零排放和按需供应，聚变能源可以取代旧的基础设施或为新部门供电。

“到 2050 年，电力需求预计将增长 200%。聚变能源为公用事业提供了强大的发电组合，以满足这一不断增长的需求，”布里斯特补充道。

图 1：什么是 Fusion？（来源：General Fusion）

磁化目标融合 (MTF)

电磁铁是围绕机械形状缠绕的线圈。当电流流过电线时，它会在线圈内部和周围产生磁场。如果导线缠绕数次，磁场强度乘以使用的导线环数，并且可以增加。但是，铜线圈会对电流产生一定的阻力，并且会通过加热来耗散能量。如果线圈短暂地打开然后让其冷却，则电阻加热是可以接受的。

超导磁铁由铌钛合金制成，在冷藏时不抗电。这允许线圈在不散热的情况下长时间管理大电流。然而，铌钛等材料需要大型且昂贵的低温冷却系统才能运行。

等离子体约束有多种方法，General Fusion 在脉冲基础上使用带有简单电磁体的磁化目标融合 (MTF)，其中融合条件可以短暂地但在重复循环中实现。 

Brister 指出，在这种方法中，他们遵循以下步骤：

用液态金属填充容器，旋转金属直到形成空腔。

将氢等离子体注入腔体。

等离子体被压缩并加热到超过 1 亿摄氏度，并发生聚变。

“融合过程加热液态金属壁。在我们的商业试验工厂中，热量将从金属中提取并用于制造蒸汽。蒸汽将驱动涡轮机——产生电力，”布里斯特说。

在 MTF 中，电磁铁用于等离子体注入器。喷射器产生一圈等离子体，并通过其旋转运动产生一个磁场，将粒子云聚集在一起。在等离子环的短暂寿命期间，它被压缩到应该发生核聚变的温度和压力。 

等离子体粒子沿着磁场线流动，现在磁场线在不接触壁的情况下循环。通过这种方式，磁场可以防止热聚变等离子体接触液态金属并冷却。当我们加热等离子体核心时，磁场充当了极好的热绝缘体，使其比太阳更热。在此过程中，水箱壁保持足够凉爽，可以作为发电厂的一部分发挥作用。

“MTF 有四大关键优势：材料耐用性、燃料生产、能量转换和能源经济。

材料耐用性：液态金属衬里保护 MTF 结构免受聚变反应释放的中子的影响，克服了面向等离子材料的结构损坏问题（也称为第一壁问题）。

燃料生产：融合过程从用液态金属填充罐开始，旋转金属直到形成空腔。我们将氢等离子体注入腔体。我们使用高功率活塞将等离子体压缩到聚变条件。高速数字控制管理和同步 500 个单独活塞的时间。压缩过程以毫秒为单位。当液态金属压缩等离子体导致能量和氚释放时发生聚变，这些能量和氚将被捕获并用作燃料。

能量转换：在 General Fusion 的商业试验工厂中，将从金属中提取热量并用于制造蒸汽。蒸汽将驱动涡轮机并产生电力。这通常用于当今的发电。

能源经济学：MTF 易于制造和扩展，因为它使用简单的电磁体并避免使用昂贵的激光器，”布里斯特说。

该行业需要克服的最大挑战之一是以具有成本效益的方式将聚变产生的能量转移到能源网中。“自从加拿大物理学家 Michel Laberge 博士在大约 20 年前创立该公司以来，克服这一挑战一直是我们聚变能方法的核心。我们的 MTF 方法使用现有技术的改进，例如蒸汽动力活塞，将等离子体压缩到聚变条件。不需要在其他聚变方法中发现的奇异激光器或巨型磁铁，General Fusion 的技术可以在商业聚变发电厂中经济地实施，”布里斯特说。

图 2：过热等离子体是实现聚变能的关键（来源：General Fusion）

图 3：技术人员正在研究 General Fusion 的磁化目标融合技术的一个关键组件——压缩系统（来源：General Fusion）

未来的计划

“Fusion 比你想象的更接近，”布里斯特说。

General Fusion 正在英国原子能管理局 (UKAEA) 的英国卡勒姆校区建造首个核聚变示范工厂 (FDP)，以确认 MTF 技术的性能和经济性。“通过这种方式，我们可以将其扩展到商业试验工厂。为此，我们将在不发电的电厂相关环境中创造聚变条件。FDP 将产生中子，它产生的数据将为我们提供建设发电商业试验工厂所需的信息。根据从 FDP 收集的数据，General Fusion 将设计和建造一个商业试验工厂。该设施是十多年发展的结果；它将经过验证的组件组装到我们商用机器的缩放版本中。建设计划于 2022 年开始，并于 2025 年开始运营。FDP 将在与发电厂相关的环境中创造聚变条件，而不产生电力。这是设计使然——我们将从 FDP 中汲取经验来创建商业试验工厂。考虑到气候变化的紧迫性，我们将在 2030 年代为家庭、企业和工业提供聚变能源，”布里斯特说。 

几十年来，聚变科学家一直致力于产生聚变反应。从根本上说，七十年的聚变发展和使能技术为近期商业化铺平了道路。Brister 认为以下几点正在影响当今聚变技术的进步：

聚变科学进展：
– 等离子体物理知识
– 高级仿真代码
– 聚变理论的实验验证

成熟的使能技术：
– 先进制造（3D 打印/复合材料）
– 计算能力和大数据分析
– 高速数字控制系统

投资（如介绍中所述）

目前有几个聚变研究项目。Brister 指出，ITER 是一项长期的跨国聚变研究计划，旨在实现净正能量生产并验证许多技术概念。“ITER 的使命是推进聚变科学和等离子体物理学，而我们的重点是聚变的商业应用，”布里斯特说。

他补充说：“MAST 和 STEP 是英国的国家核聚变研究项目，位于 UKAEA Culham 校区，General Fusion 正在那里建造其核聚变示范工厂。UKAEA 的 Culham Campus 是聚变能源开发和创新领域的世界领先者。这就是我们选择在那里举办我们的 FDP 的原因。我们将受益于英国的融合供应链活动集群，以 UKAEA 全球公认的专业知识和在该领域的存在为中心。

国际能源署预测低碳电力供应的份额会增加。尤其是风能、太阳能和地热能将从今天的 36% 增加到 2040 年的 52%。Fusion 是对间歇性可再生能源和电池存储的绝佳补充。这些技术共同构成了一个实用的能源组合，可以缓解气候变化并推动经济繁荣。

聚变能面临的挑战是如何以可控的方式在地球上创造可用于提供能量的条件。属于太阳的条件，它是无限能量的最终来源。控制技术和电源管理解决方案必须有效地执行其功能才能在地球上复制这一过程。聚变能源有潜力创造一个更清洁、更安全的世界，General Fusion 正在开发这项技术，以使其尽快可用。

审核编辑 黄昊宇