新设计有助于减少下一代核聚变发电厂的多余热量。
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麻省理工学院的课堂练习,在行业研究人员的帮助下,这导致了一个创新的解决方案,解决了发展实用核聚变发电厂所面临的长期挑战:如何消除会对核电站造成结构破坏的多余热量。

紧凑型聚变反应堆的创新方法


新的解决方案是通过对紧凑型聚变反应堆的创新方法得以实现的,使用高温超导磁体。这种方法为今年在麻省理工学院启动的一项大型新研究计划奠定了基础,并成立了一家独立的初创公司来开发这一概念。

新设计,与典型的核聚变电站不同,可以打开设备的内腔并更换关键部件;这种能力对于新提出的散热机制是必不可少的。

这一新方法在《融合工程与设计》杂志的一篇论文中有详细介绍。作者:亚当·匡,那个班的研究生,除了14个麻省理工学院的学生,三菱电气研究实验室和联邦聚变系统的工程师,丹尼斯·怀特教授,麻省理工学院等离子体科学与融合中心主任,谁教的班。

工程需要大量的复杂分析


本质上,威特解释说:从核聚变工厂内部散发的热量可以与汽车的排气系统相比。在新设计中,“排气管”的长度和宽度比当今任何一种聚变设计都要长得多,使其更有效地释放多余的热量。

但要使之成为可能,工程设计需要进行大量复杂的分析,并对许多可能的设计备选方案进行评估。

驯服聚变等离子体


融合利用了太阳自身的能量,信守最终生产清洁产品的承诺,利用海水中的燃料——氘产生的大量电力,一种重的氢,锂-所以燃料供应基本上是无限的。

但是,几十年来对这些发电厂的研究仍然没有导致一种装置产生与消耗相同的电力,更不用说实际产生净能量输出的能量了。

今年早些时候,然而,麻省理工学院提出的一种新型聚变核电站的建议,以及其他人正在探索的其他一些创新设计,最终使实用聚变能的目标似乎触手可及。

但仍有几个设计挑战有待解决,包括一种有效的从高温中释放内部热量的方法,带电材料,被称为等离子体,限制在设备内部。

聚变堆内以中子形式释放的大部分能量


聚变反应堆内产生的大部分能量以中子的形式释放出来,加热熔化等离子体周围的物质,叫毯子。

在发电厂里,加热的毯子反过来又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的形式产生的,它必须以某种方式消散,以防止它熔化形成燃烧室的材料。

没有足够强的材料能够承受聚变装置内等离子体的热量,温度达到数百万度,因此,等离子体被强大的磁铁固定住,防止它直接接触到环形聚变室的内壁。

在典型的融合设计中,一组单独的磁铁被用来制造一种侧腔来排出多余的热量,但是这些所谓的转向器不足以承受新的高温,紧凑型植物。

电弧设计的一个可取的特点是,它在一个比常规188bet亚洲体育相同输出的反应堆所需的更小的装置中产生功率。但这意味着更多的能量被限制在一个更小的空间里,因此需要更多的热量。

“如果我们不做任何关于热排放的事情,“这种机制会自行瓦解,”匡说,谁是这篇论文的主要作者,描述团队面临的挑战,并最终解决。

内部工作


在传统的聚变反应堆设计中,产生偏滤器的次级线圈位于初级线圈之外,因为根本没有办法把这些线圈放到固态初级线圈里。

这意味着次级线圈需要大而有力,为了让他们的能量场穿透燃烧室,因此,它们在如何控制等离子体形状方面并不十分精确。

但麻省理工学院的新设计,称为ARC(高级,健壮的,和紧凑型)的特点是磁铁内置188bet亚洲体育部分,以便他们可以删除服务。

这样就可以进入整个内部,将二次磁铁放在主线圈内部而不是外部。有了这个新安排,“只要把它们移近(接近等离子体),它们的尺寸就会大大减小”,Kuang说。

在一学期的研究生班22.63(融合工程原理)学生们被分成小组来解决不同方面的排热挑战。

每一个研究小组都从彻底的文献检索开始,看看已经尝试了哪些概念,然后他们集思广益,想出了多种概念,并逐渐淘汰了那些没有成功的概念。

那些有希望的人要经过详细的计算和模拟,基于,部分地,在麻省理工学院的Alcator C-Mod等研究融合设备的数十年研究中获得的数据上,两年前退休的。

关于新型分流器的共同见解


C-mod科学家Brian Labombard也分享了关于新型潜水员的见解,三菱公司的两名工程师也与该团队合作。

课程结束后,一些学生继续从事这个项目,最终得出本文所描述的解决方案。模拟结果证明了他们所确定的新设计的有效性。

“真是令人兴奋,我们发现的,”怀特说。结果是转向器变得越来越长,这样可以更精确地控制等离子体。因此,它们能承受预期的高温负荷。

“你想让‘排气管’尽可能大,”怀特说,解释说二次磁铁在一次磁铁中的位置使这成为可能。

他说:“这真的是一场电厂设计的革命。”在电弧设计中使用的高温超导体不仅能使磁体紧凑,大功率发电厂,他说,“但它们也提供了许多选择”以不同的方式优化设计-包括,事实证明,这种新的转向器设计。

往前走,既然基本概念已经形成,还有很大的发展空间和优化空间,包括这些二次磁铁的准确形状和位置,团队说。研究人员正在进一步开发设计的细节。

怀特说:“这为在聚变装置中考虑偏滤器和热管理开辟了新的途径。”

托卡马克聚变反应堆研究的新方法


布鲁斯·利普舒尔茨说:“所有的电弧工作都让人大开眼界,同时也激发了研究托卡马克核聚变反应堆的新方法。”约克大学物理学教授,在英国,他没有参与这项工作。

这篇最新的论文,他说,“将该领域的新想法与托卡马克概念的许多其他重大改进结合在一起……扩展腿偏滤器概念的ARC研究表明,应用到反应堆并非不可能,就像其他人争辩的那样。

利普舒尔茨补充说,这是“非常高质量的研究,显示了托卡马克反应堆的前进方向,并刺激了其他地方的新研究”。

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麻省理工学院的课堂练习,在行业研究人员的帮助下,为解决核聚变发电厂发展面临的长期挑战,提出了一种新的解决方案:如何消除可能对核聚变发电厂造成结构破坏的过热现象。