核聚变初创公司 Inertia Enterprises 表示,他们已将燃料丸制造所需的时间从数天缩短至某些工艺阶段的几分钟;若计算完整流程,单枚燃料丸的制造时间则从一周或更长缩短至约两至三个小时。公司认为,这一进展消除了其在建造具有盈利能力的商业核聚变电站之前必须克服的十项障碍之一。
Inertia 采用了在国家点火设施(National Ignition Facility - NIF)开发的技术。NIF 是隶属于劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)的复杂研究设施。在 NIF,燃料丸的制造需要一周或更长时间,并且成本高昂,因为该设施每年仅为实验目的生产数量有限的燃料丸,而不是为工业规模运行的发电站提供燃料。
从实验原型到可制造的工艺
公司联合创始人兼首席执行官 Jeff Lawson 表示,Inertia 将 NIF 的燃料丸视为原型,需要把它们转化为能够大批量制造的产品。因此,公司聘请了工业工程师,其中包括从 Apple 等公司招聘的员工,旨在重新设计工艺,使其适合在工厂内重复生产。
燃料丸由钻石球形外壳构成,外壳内是冻结的氘和氚薄层;氘和氚是用作核聚变燃料的氢同位素。晶体层中含有这两种同位素的气体混合物。这些层必须极其接近完美球形,因为微小缺陷可能妨碍点火过程,并限制产生的能量。
随后,燃料丸会被一种称为hohlraum的金色外壳包覆,将激光能量转化为压缩燃料的X射线。过程成功时,原子发生聚变并释放能量。因此,Inertia 必须加快制造速度,同时不能大幅偏离 NIF 实验证实的物理特性。
实际发生了哪些变化?
经过多轮开发,公司表示,他们已能够在约30分钟内生长晶体,而在 NIF 这一过程可能需要长达一周。公司还与 NIF 通过公私合作伙伴关系共同改进了工艺,并表示该工艺可以扩展至工业规模。
Inertia 计划使用功率比 NIF 现有激光器高四倍的激光器。公司表示,额外能量提供了更大的裕度,使其能够接受燃料丸存在一定程度的缺陷,这也有助于缩短制造时间。据 Lawson 称,提高激光器功率是公司为系统其他部件提供运行裕度战略的一部分。
缩短制造时间对氚和电站规模的影响
加快燃料丸制造的影响不仅体现在生产率上。氚是一种放射性材料,处理时需要特别谨慎,而且价格昂贵;据《Science》杂志报道,氚的价格约为每克3万美元,而全球库存总量仅约25千克。
Inertia 计划借助核聚变反应生产自己的氚,但启动运行时仍需要初始库存。缩短燃料丸制造时间,可以减少任何时候需要储存的氚数量。公司预计,其大规模商业电站每秒将消耗十枚燃料丸,这使制造和储存时间成为影响设施规模与效率的实际因素,但这本身并不能解决建成盈利电站所需的其他挑战。