利用聚變能源高效發電，商用核聚變能源技術獲突破英國業者利用超導磁鐵的高效能運作完成低溫電子電力技術測試，展現了兩倍于以往系統的效率，大幅度地降低了冷卻HTS磁鐵所需的電力，可望降低未來核聚變發電廠的成本...

英國業者Tokamak Energy宣布已成功利用超導磁鐵的高效能運作，完成低溫電子電力技術(cryogenic power electronic technology)的測試。

Tokamak Energy的核聚變(fusion)技術研發，是結合了球形托克馬克(spherical tokamak)和高溫超導(high-temperature superconducting，HTS)磁鐵;該公司指出，新的電力電子測試展現了兩倍于以往系統的效率，大幅度地降低了冷卻HTS磁鐵所需的電力，可望降低未來核聚變發電廠的成本，這是核聚變技術邁向商業化和擴大規模的關鍵。

用在托克馬克設備的超導磁鐵是用以集中和隔離電漿，使之能夠達到核聚變所需的高溫。低溫冷卻是眾多能源議題之一。新方法是在一個真空的低溫恒溫器(cryostat)中采用，利用更高效率的電源轉換器。

2020年，美國能源部(U.S. Energy Department)贊助Tokmak Energy多年期的研發資金，讓該公司能夠與美國國家實驗室體系的核聚變專家們一起工作;該公司的球形托克馬克設計ST40原型就是與美國橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)，以及普林斯頓電漿物理實驗室(Princeton Plasma Physical Laboratory)的合作成果。英國政府也提供了一部分的研究獎助，作為該國先進模塊化反應爐(Advanced Modular Reactor)行動計劃的一部分。

球形托克馬克設計ST40的內視圖。(圖片來源: Tokamak Energy)

核聚變能源

科學家最早意識到可以透過托克馬克設計來達成核聚變條件，可追溯至1960年代;當時俄羅斯設計的T3 托克馬克，達到了顯著高于其他核聚變系統的電漿溫度。

Tokamak Energy的共同創辦人Alan Sykes在1980年代從事理論研究，證明改變托克馬克的幾何形狀可以提升性能。結合經改良的球形托克馬克，以及由HTS磁鐵技術所提供的更好的磁局限(magnetic confinement)，為核聚變商業化提供了一條具潛力的途徑。

托克馬克仰賴磁場來捕捉帶電的電漿粒子，也讓核聚變的燃料受限。HTS磁鐵是由稀土──銅鋇氧化物(copper barium oxide)──打造的厚度小于0.1mm的細條，將它們形塑成線圈，能夠以更小的占位面積產生更強大的磁場。

Tokamak Energy正在與歐洲核子研究組織(European Organization for Nuclear Research，CERN)合作，共同開發可擴展到適合核聚變電力模塊所需尺寸的HTS磁鐵。該公司執行長Chris Kelsall表示，Tokamak Energy正在開發的核心技術有兩種，即小巧的球形托克馬克以及HTS磁鐵，“這些技術對于實現商用核聚變至關重要。”

核聚變電力模塊是設計用來產生500MV的熱或150MV的電力，Tokamak Energy指出，商用核聚變能源需要把電漿加熱到攝氏1億度，目前他們正努力透過其ST40設計實現該目標。“如果成功了，Tokamak Energy將會是第一家成功控制電漿達成該關鍵里程碑的商業核聚變開發商;” Kelsall指出：“不過我們也相信，還有其他關鍵元素對于實現商用核聚變來說相當重要。”

ST40

ST40設計展現Tokamak Energy催生商用核聚變電力的企圖心，該系統在第一年運轉的時候達到了攝氏1,500萬度，其目標是證實透過克服氘(deuterium)離子和氚(tritium)離子之間的排斥力，讓它們足夠靠近以產生核聚變，進而能夠在攝氏1億度下運作。如此一來，ST40就能成為首個能達到商用核聚變所需溫度的私人資金開發核聚變系統。

而新電力轉換器的測試結果，意味著系統的效率能夠獲得更進一步的改善。該公司提出了將HTS磁鐵成本節省一半的方法，例如新的電源能夠提供以低于1,000A連續運轉，以及2,000A脈沖式運作的模式。Kelsall預期私人核聚變開發商將在2022年推動更多進展。

他指出，不久前在英國蘇格蘭Glasgow舉行的2021年聯合國氣候變遷會議(Climate Change Conference，即COP26)，“強調尋求可以取代碳密集石化燃料、能在全球部署之新一代潔凈能源基本負載電力的急迫性。”

一旦商業化，核聚變能源將會是潔凈、低成本、可靠、豐富且安全的。它提供全球社群一個轉型的機會，以達到并維持凈零排放的目標。而核聚變所扮演的關鍵角色也逐漸受到全球投資者社群注意，至2021年底已經有相當規模的股權基金投資挹注至核聚變私人企業。

該領域的崛起是因為越來越多投資人意識到，這類產業正處于為潔凈能源轉型帶來顯著貢獻的絕佳位置;他們也在多樣化的潔凈技術投資組合中，尋求切入相關事業的機會。

“隨著核聚變業者的技術取得進一步的發展，核聚變商業化競賽預期會在2022年加快步伐;”Kelsalled總結，“在核聚變領域已經開發的應用，將會在諸如航天、工業與醫療照護等不同產業展現實質的跨領域商機。2022年將會看到公、私部門持續緊密合作，以實現核聚變可提供的龐大機會，這預示著未來的美好。”

許多與核聚變有關的立即工程挑戰，主要是與磁鐵技術有關。“該類磁鐵必須有足夠的力量容納一團熱物質，又不能消耗太多電力，使得控制核聚變反應爐的能耗超過它所能產生的電力;”Kelsall指出，“Tokamak Energy已經打造出自有的超導高溫磁鐵，能夠對電漿施加巨大的壓力，且不僅能用在核聚變的商業化，也進一步地應用在航天等領域。”

Tokamak Energy指出，核聚變是一種既不會產生長期放射性廢棄物、又能夠提供具成本競爭力能源的零碳排能源。由于核聚變所具有的安全性，廠址的要求不像傳統的核能發電廠那么嚴苛，能部署于更靠近人口和產業中心的地方。精簡的核聚變系統也具備較不昂貴、能快速建設和配置的優勢，還能充分利用尖端的材料和技術。

本文同步刊登于《電子工程專輯》臺灣版雜志2022年2月刊

編譯：Judith Cheng

(參考原文：Breakthrough in Efficient Powering of Fusion Energy，By Maurizio Di Paolo Emilio )

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