聚變能聽(tīng)起來(lái)似乎好的令人難以置信——零溫室氣體排放，沒(méi)有長(zhǎng)久存在的放射性廢棄物，它是一種幾乎無(wú)限量的能源供應(yīng)。而采用聚變能面臨的最大障礙可能是經(jīng)濟(jì)學(xué)問(wèn)題。核聚變發(fā)電設(shè)計(jì)還沒(méi)有便宜到可以取代現(xiàn)有的利用化石燃料，例如煤炭和天然氣的系統(tǒng)。美國(guó)華盛頓大學(xué)的工程師們希望改變這一現(xiàn)狀。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種概念核聚變反應(yīng)器，但它變成大型電廠(chǎng)的規(guī)模時(shí)，將可以與相似電量產(chǎn)出的燃煤火力發(fā)電廠(chǎng)所耗費(fèi)成本相當(dāng)。研究小組的核聚變反應(yīng)堆設(shè)計(jì)以及成本分析研究于去年春天被發(fā)表，它將在10月17日俄羅斯圣彼得堡召開(kāi)的國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)的聚變能會(huì)議上展示。

    “就目前為止，這一設(shè)計(jì)具有產(chǎn)生非常經(jīng)濟(jì)的核聚變發(fā)電的巨大潛力。” 華盛頓大學(xué)的航空學(xué)教授和物理學(xué)副教授托馬斯?賈爾伯（Thomas Jarboe）這樣說(shuō)道。華盛頓大學(xué)研究小組設(shè)計(jì)的這個(gè)名為dynomak的反應(yīng)堆始于賈爾伯兩年前帶的一門(mén)課的課堂項(xiàng)目。在課程結(jié)束后，賈爾伯和他的博士研究生德里克?薩瑟蘭（Derek Sutherland）——他之前在美國(guó)麻省理工學(xué)院做過(guò)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的研究——繼續(xù)發(fā)展并修改了這一概念。

    這一設(shè)計(jì)是建立在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，在封閉空間里創(chuàng)造了一個(gè)磁場(chǎng)從而保證等離子體停留足夠長(zhǎng)的時(shí)間以引發(fā)核聚變的產(chǎn)生，使得炙熱的等離子體反應(yīng)并燃燒。反應(yīng)堆本身主要是自我維持的，這意味著它能夠持續(xù)的加熱等離子體以維持熱核條件。反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱將加熱用于旋轉(zhuǎn)渦輪機(jī)并發(fā)電的冷卻劑，這類(lèi)似于典型原子動(dòng)力反應(yīng)堆的工作原理。

    創(chuàng)造一個(gè)磁場(chǎng)有好幾種方法，這對(duì)于維持核聚變反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行是至關(guān)重要的。華盛頓大學(xué)的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)被稱(chēng)為球形馬克Spheromak（一種自組織的環(huán)形等離子體形態(tài)），這意味著它通過(guò)驅(qū)動(dòng)電流至等離子體里就能夠產(chǎn)生大部分的磁場(chǎng)。這極大的減少了所需要的材料量，使得研究人員能夠縮減反應(yīng)堆的整體大小。

    其它的設(shè)計(jì)，例如目前正在法國(guó)建造的實(shí)驗(yàn)性核聚變反應(yīng)堆項(xiàng)目國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER），它就比華盛頓大學(xué)的設(shè)計(jì)要大得多，因?yàn)樗蕾?lài)于環(huán)繞設(shè)備外部的超導(dǎo)線(xiàn)圈提供相似的磁場(chǎng)。與法國(guó)的核聚變反應(yīng)堆概念相比，華盛頓大學(xué)的設(shè)計(jì)成本要低廉得多——大約是ITER的1/10——但同時(shí)產(chǎn)生的能量是前者的5倍。

    華盛頓大學(xué)的研究人員計(jì)算了使用他們的設(shè)計(jì)所建造的核聚變反應(yīng)堆發(fā)電廠(chǎng)所耗費(fèi)的成本，并與建造燃煤電廠(chǎng)的成本進(jìn)行對(duì)比。他們使用了名為隔夜資金成本的度量，后者包括所有的成本，尤其是初始基礎(chǔ)設(shè)施費(fèi)用。分析顯示一個(gè)核聚變發(fā)電廠(chǎng)產(chǎn)生10億瓦特的電量需要耗費(fèi)27億美金，而一個(gè)燃煤電廠(chǎng)產(chǎn)生相同的電量需要耗費(fèi)28億美金。

    “如果我們投資這種類(lèi)型的核聚變，我們肯定可以獲得回報(bào)，因?yàn)檫@種商業(yè)反應(yīng)堆看起來(lái)已經(jīng)很經(jīng)濟(jì)，這真是令人激動(dòng)不已。”而現(xiàn)在，華盛頓大學(xué)研究小組的概念只是實(shí)際產(chǎn)品大小和能量產(chǎn)出的1/10，因此還有很多年需要努力。目前研究人員測(cè)試了原型高效維持等離子體的能力，隨著他們不斷研發(fā)和擴(kuò)張?jiān)O(shè)備的大小，他們可以提升到更高溫度的等離子體并獲得更大的核聚變能量產(chǎn)出。