近日，Clean Energy Science and Technology《清洁能源科学与技术》2023年第1卷第1期中英文同步上线。北京化工大学杨卫民教授经过多年研究，创新性提出飞轮蓄能多堆接力鞭炮式可控核聚变发电系统，有望促进可控核聚变技术早日实现应用，从而实现新时代“碳达峰、碳中和”的宏伟目标，推动全球经济社会的低碳绿色可持续发展。

 

 

 

近代工业革命以来，人类社会高速发展导致对能源的需求的急剧增长，使亿万年来积累的煤炭、石油和天然气等化石能源在短时间内被集中开采利用。化石能源不仅储备有限，而且还会排放大量燃烧产生的温室气体与污染物，造成全球气候变暖与环境恶化。对此，世界各国将目光转移到了核能发电，目前核电站发电原理是通过核裂变反应过程中所产生的大量能量将水转化为蒸汽，进而驱动涡轮发电机组进行发电，但是核裂变需要重核作为原料，这些重核属于不可再生资源，含量稀少且不稳定，容易造成核反应堆泄露等问题，因此迫切需要大力发展低碳绿色的清洁能源。核聚变反应能够释放出远高于核裂变反应的巨大能量，反应过程没有放射性污染物排放，而且核燃料氘在广泛分布的海水中储量极大。因此，核聚变被誉为“人类绿色清洁能源的理想解决方案”。核聚变反应主要有氘氚聚变和氘氘聚变等，为了使核子发生融合，需要将氘、氚原子核压缩到近程强相互作用力范围内并克服核子间的库仑势垒。因此，只有在极高温度（1亿℃以上）才能引发核聚变反应。但是，安全、稳定、长周期的运行可控核聚变技术难题仍未突破。

 

 

杨卫民教授团队提出的“飞轮蓄能多堆接力鞭炮式可控核聚变发电系统”，其热端采用飞轮蓄能的多堆接力鞭炮式可控核聚变发电系统，多个托卡马克核聚变反应堆串联连接，多堆按序列依次发生聚变反应（克服了当前单个可控核聚变时间短的问题）聚变反应热被换热器中的换热介质吸收，换热介质发生相变反应转变为气相，高温高压气体冲击汽轮机进行发电，从而实现长周期连续聚变能量输出。冷端采用“洁能芯”自清洁强化传热技术和辐射制冷技术，减少无功能耗，优化传热过程，提高冷却效率。

 

 

 

飞轮蓄能多堆接力鞭炮式可控核聚变持续发电技术有两种方案，分别是脉冲式聚变反应飞轮储能多堆接力持续发电技术、和微流控氘氚对撞核聚变飞轮调控持续发电技术。前者以飞轮为能量传递媒介、高能激光为点火装置，以靶丸内部氘氚燃料聚变为驱动器，实现核能向电能的转化，保障整个系统的核聚变反应能够稳定、可控地进行；后者采用高能加速器对核子加速对撞实现聚变，通过控制每次输入核燃料等离子体的量，调节核聚变反应的发生及剧烈程度。同样以飞轮储能为调节器，实现脉冲聚变能量输出的削峰填谷。

 

在核聚变技术中，冷却系统同样至关重要。为此，研究人员在管壳式换热器的强化传热研究方面开展了长期的研究，原创发明了“洁能芯”单元组合转子自清洁强化换热技术。“洁能芯”是通过改变介质流动状态来提高换热效果，其原理是形成旋转流、破坏边界层、中心流体与管壁流体产生置换作用以及产生二次流等，且其旋转运动导致边界层发生破坏，减薄了其厚度，提高了传热系数。自清洁原理是增加流体的湍流度以提高污垢的剥离速率并减少污垢的沉积速率。

 

核聚变装置需要对液态金属进行高效冷却，为此，研究团队创新性提出利用被动辐射制冷技术对冷却塔进行无能耗且能达到低于环境温度的冷却。该技术辐射制冷材料可将太阳光波段的能量反射走，将被冷却物体发出的热辐射以可穿透大气层的中红外射线发射到外太空来实现自发制冷。

 

研究团队通过探究微纳尺度光学及热力学机理，创新研发出具备高太阳光反射率和高红外发射率特性的多级多孔微纳结构薄膜，并且将“彩虹丝”熔体微分静电纺丝技术与纳米流体技术相结合，制备了新型复合辐射制冷电纺薄膜，测量其对太阳光谱波段的反射率（99.2%）和大气窗口波段的发射率（95%）。通过搭建室外测温平台检测薄膜的制冷温差及功率，实现了10 ℃左右的亚环境降温效果，且制冷功率超过100W/m2。

 

可控核聚变是清洁能源科学技术的重要研究方向，研究团队创新提出的鞭炮式可控核聚变发电系统的技术方案可以通过飞轮蓄能调控来达到工业化应用目标。同时，强化传热和辐射制冷的优化方案也为实现核聚变热能的高效率收集和转化利用开辟一条崭新的路径。

 

 

关于“鞭炮式”可控核聚变发电系统，笔者与杨卫民教授有过简单交流：