Realta实现磁镜聚变直接能量转换
摘要
Realta Fusion在WHAM磁镜装置上成功实现直接能量转换，利用等离子体带电粒子点亮灯泡。该技术将磁镜的粒子泄漏特性转化为优势，通过静电转换器高效捕获能量。公司计划将功率从数百瓦扩展至兆瓦级，以提高聚变电站效率并降低成本，同时为使用先进燃料开辟新途径。
Realta Fusion宣布已在Wisconsin HTS轴对称镜装置(WHAM)上实现直接能量转换，利用从等离子体发射的带电粒子中提取的电能点亮了一盏灯泡。
这一被称为直接能量转换(DEC)的过程，由Lawrence Livermore美国国家实验室物理学家Richard Post提出理论，并已进行过数次实验验证，最早可追溯至20世纪70年代的“百叶窗”转换器。
Realta首席科学官Derek Sutherland表示：“此次的新颖之处在于，我们作为一家私营公司，以有意义的方式实现了这一目标，并计划在未来几年内将其快速扩展至商业聚变发电应用……这既不是净发电的示范，也不是将聚变产生的能量大规模直接转换为电能。”
在讨论聚变能时，DEC并非首先想到的过程——即利用聚变反应释放的中子驱动热力循环。它是一种补充性的能量提取形式，且当前方法更适用于开放式磁约束聚变装置概念，例如WHAM采用的磁镜方法，而非托卡马克和仿星器等封闭系统。
Sutherland表示，采用DEC使公司能够“将磁镜的泄漏性视为一个引人注目的特点，而非障碍。”
WHAM：WHAM是一个原型磁镜聚变装置，位于威斯康星大学麦迪逊分校校园内。它最初是由威斯康星大学麦迪逊分校、麻省理工学院和Commonwealth Fusion Systems共同资助的公共项目。Realta是该项目的衍生公司，WHAM目前以公私合作方式运行，公司提供了大部分资金。
工作原理：Sutherland所指的磁镜约束“泄漏性”是指散射进入损失锥的带电粒子。Realta的设计通过使用高温超导磁体提高磁场强度来最小化其损失锥，从而改善等离子体约束。但尽管该特征仍然存在，Sutherland认为可以将其用作一种优势。
损失锥充当天然排出口，保持聚变等离子体的清洁，并且损失锥中带电粒子的能量可通过DEC高效捕获。在该概念的电站版本中，产生的大部分能量仍将来自在慢化覆盖层中以热量形式捕获中子能量，但增加DEC可提高整个系统的效率。
Sutherland说：“你可以将带有DEC的[氘-氚]聚变电站想象成混合动力汽车的动力系统——它产生热量推动活塞（或就我们而言，驱动涡轮机）以提供大部分动力，同时配备一个电气组件以提高效率。”
Realta的DEC试验：Realta在WHAM的端环组件中安装了一个直接能量转换器。它采用静电方法实现DEC，利用静电势减慢带电粒子从损失锥排出时的速度，将捕获的动能直接转换为电能。
据Sutherland介绍，此次试验中使用的转换器具有三个精细网格，“一个电接地栅网、一个电子排斥栅网和一个离子收集栅网。”首次试验旨在确认该概念可行，产生的功率水平达数百瓦。后续步骤将涉及覆盖范围更广、级数更多的转换器，能够捕获更多能量。
他表示，在此次试验中，“大部分直接转换的能量来自我们为加热和维持磁镜等离子体而提供的输入功率”，但在电站规模上，更多转换后的功率将直接来自聚变。
Sutherland表示，公司发现在WHAM上设置DEC“相对简单”。根据公司公告，Realta于6月19日安装了转换器，距离宣布已提取电能不到两周。
规模放大：与聚变技术的许多方面一样，该概念如何——或是否——能扩展到电站适用水平仍有待观察。Sutherland表示，Realta正在设计新的端环组件，以提高发电量，但在WHAM上可扩展的最大功率约为1 MW。
他说：“现在轮到我们将WHAM上取得的成果扩展到未来装置中数千瓦乃至最终数兆瓦的能力。但是，即使有了这第一次演示，我们通往商用[氘-氚]磁镜聚变电站的道路也变得更加清晰。”
Sutherland表示，公司将进行更多测量，在更高电压下测试运行，并寻求了解使用转换器对等离子体条件的影响。据Realta称，预计在聚变电站中DEC的运行效率将超过90%，但公司尚未公布此次试验的效率数据。
Sutherland说：“我们计划很快开展专项实验活动，以更好地确定这些数据。我们相信，在我们的设计点上，利用DEC可以产生足够的电力，完全覆盖系统连续运行的输入功率需求，而将热能部分留给直接使用或为客户发电。”
这将需要将DEC系统规模扩大到数十甚至数百兆瓦。据该公司称，这将转化为每千瓦时成本至少降低10%至20%。
燃料影响：Sutherland表示，使用DEC还为使用催化氘-氘或氘-氦-3燃料开辟了途径。
Sutherland说：“通过将DEC与先进燃料结合使用，我们可能减少对热力循环发电的依赖，并规避大规模氚增殖的需求——这两者都可能为我们未来用于发电的聚变装置带来额外的成本节约。”
谁在使用DEC？Realta并非唯一追求这一方案的商业聚变公司。Helion Energy的磁惯性聚变概念也适用于DEC，该公司已广泛讨论将基于感应方法的DEC作为其技术路线的一大支柱。
Realta首席执行官Kieran Furlong表示：“多年来，人们一直在对DEC高谈阔论，所以我们直接去实现了它。我们是第一家在一台真正的聚变装置上实现将等离子体动能直接转换为电能的私营聚变公司。”