《打造极端聚变能条件下的传感器》

  • 来源专题:工程机械与高端装备
  • 编译者: Hazel
  • 发布时间:2025-04-27
  • 13家机构已与英国原子能管理局(UKAEA)签订合同,以开发用于未来聚变发电厂的传感技术。

    英国原子能管理局的聚变工业计划授予16份合同,总价值350万英镑,可行性研究合同价值从10万英镑到25万英镑不等。该计划于2021年启动,旨在为未来全球聚变电站市场开发必要的技术。

    13家机构(包括10家私营企业和3家学术机构)正在开发一系列用于极端环境的传感和诊断技术,这是未来聚变发电厂的重要创新领域。

    聚变发电厂将在极端温度、高中子负荷和强磁场等复杂条件下运行。开发能够在这些极端条件下运行的高度专业化、强大的传感和控制技术对于使聚变能源成为世界能源结构中具有商业可行性的一部分至关重要。

    需要新型传感和诊断系统来测量聚变发电厂内的一系列数据,包括等离子体的位置和形状、等离子体电子密度、温度以及面向等离子体的组件的性能。

    这13个机构目前将开展技术可行性研究,在聚变工业计划的支持下,将其传感和诊断技术推向“概念验证”阶段。

    英国原子能管理局首席技术官兼副首席执行官蒂姆·贝斯特维克(Tim Bestwick)表示:“核聚变有望成为安全、可持续的能源。然而,实现核聚变意味着要克服复杂的科学和工程挑战,例如开发坚固的传感器以承受核聚变的恶劣环境。”

    “核聚变产业计划正在吸引私营企业和学术界来帮助解决这些挑战,同时激发可以促进相关行业发展的创新。”

    在核聚变工业计划中,英国原子能机构和托卡马克能源有限公司的技术顾问首次为核聚变工业提供专家支持。英国原子能机构和托卡马克能源的专家针对核聚变环境中遇到的条件提供技术建议,以帮助指导传感和诊断技术的设计和开发。

    托卡马克能源公司诊断、数据和控制主管乔安妮·弗拉纳根(Joanne Flanagan)表示:“很高兴看到对这一挑战的创新应对措施,同时很高兴以技术顾问的身份为这些项目提供支持。”

    “测量系统和组件需要非常坚固才能在极端的聚变发电厂环境中运行,这就是我们必须探索各种技术、想法和解决方案的原因。本次挑战赛旨在激发应对这一发展所需的创新思维,让我们更接近提供清洁、安全且价格合理的聚变能源的目标。”


  • 原文来源:https://memuknews.com/infrastructure/nuclear/ukaea-2/
相关报告
  • 《美国加大对聚变能源的投资》

    • 来源专题:大气污染防治
    • 编译者:APC
    • 发布时间:2021-03-15
    • 颇具影响力的能源部(DOE)咨询委员会建议美国积极开展聚变能源的部署,包括对技术和设备进行投资,以支持LLNL国家点火设施(NIF)的核心任务之一,为建立核聚变奠定基础。发展惯性聚变能(IFE)。 该报告称霸未来:融合与等离子体,由十二月份批聚变能科学顾问委员会(FESAC)。紧随其后的是2月美国国家科学,工程和医学研究院(NASEM)的报告,呼吁采取积极行动,尽快在2035年建造美国的试验性聚变电站。 FESAC的报告编制了两年,根据美国能源部科学办公室的聚变能科学(FES)计划,为美国的聚变能和等离子体科学提供了长达十年的愿景。NFS&PS物理学??家FESAC成员兼报告小组委员会的Tammy Ma说,LLNL是等离子体物理社区规划过程的主要参与者,该过程为该报告的十年战略计划奠定了基础。 FESAC和NASEM的报告都侧重于磁聚变能量(MFE)技术的发展,以法国的ITER实验为例;美国是参加ITER的35个国家之一,目前已完成了70%以上的目标,并计划在2025年首次进行等离子操作。 但是,这些报告承认必须同时追求包括IFE在内的其他政府和私人融合技术,而FESAC的报告指出,NIF在点火方面取得了“巨大进步” 。这两份报告都呼吁与联邦,国际和私人投资者建立合作伙伴关系,并概述了NIF一直致力于融合和等离子体研究的增长机会(请参阅“十年报告重点介绍了NIF对等离子科学的贡献。”) 报告中与LLNL工作有关的要点和建议包括: 即使在没有增长预算的情况下,也要重新启动IFE程序。 继续为与NNSA共同赞助的高能量密度实验室等离子体(HEDLP)计划提供强有力的资金支持。 在LLNL支持的SLAC国家加速器实验室中完成极端情况下物质(MEC)升级的设计和施工。 协调高强度激光研究计划(FES与其他联邦机构的合作)。 致力于开发由NIF&PS设计和开发的,类似于高重复频率高级PB激光系统的数兆瓦(万亿瓦)激光设备和美国的高重复频率高强度激光设备。先进的光子技术计划;HAPLS已于2017年6月交付给捷克共和国的Extreme Light Infrastructure Beamlines Facility。 强烈支持LaserNetUS,如果预算允许,可以进行积极的升级;LLNL的木星激光设备是LaserNetUS的成员,LaserNetUS致力于恢复美国的高强度激光研究 到2040年在美国建立一家聚变试点工厂。 强烈追求替代性和创新性融合概念。 最好与其他机构合作,建设和设计中型Z捏脉冲电源设施;LLNL目前正在桑迪亚国家实验室为Z机开发许多高级诊断程序。 为强大的公私合营计划提供支持。 “即使在预算不变的情况下,”报告负责人说,“做出了一定的准备,以确保以某种方式支持这些活动。无法建造新设施,但建议进行构思前的设计活动和技术开发。” 由能源部赞助的NASEM报告“将融合带入美国电网”描述了要使融合在2050年之前适时过渡到低碳经济中发挥作用所需要的科学和技术创新。NASEM计划要求进行试点到2028年进行电厂设计,并在2035年至2040年的时间范围内向电网增加聚变能。 报告说,几乎取之不尽的聚变能可以为美国电网提供清洁的,无碳的基准电力,在美国将其发电基础设施脱碳的过程中起着关键作用。聚变使用大量的氢燃料,不会产生长寿命或高水平的放射性废物。它本质上是安全的,并且是其他可再生能源的理想补充。
  • 《高效利用弱磁能 新型收集器助物联网传感器“自发电”》

    • 来源专题:能源情报网信息监测服务平台
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2022-04-08
    • 120% 这种新型弱磁能收集器结构,可使物联网传感器免于更换、维修电池等种种人工繁琐操作,实现弱磁条件下的“自发电”,其输出功率比传统磁能收集结构提高约120%。 我国“双碳”战略倡导绿色、环保、低碳的生活方式,这有赖于绿色能源技术的不断发展创新。在我国大力发展可再生能源的当下,磁能等现实环境中微能源的回收再利用引起众多研究者的关注。 哈尔滨工程大学水声工程学院与创新发展基地“海洋磁传感器和探测”团队青年教师、副教授储昭强研究设计了一种新型弱磁能收集器结构,可使物联网传感器免于更换、维修电池等种种人工繁琐操作,实现弱磁条件下的“自发电”,其输出功率比传统磁能收集结构提高约120%。近日,该研究学术论文“两端夹持磁—力—电俘能器件中显著增强的弱磁能量回收性能”在能源材料领域国际著名期刊《先进能源材料》在线发表。 回收再利用环境中的微能源 “万物互联”是打造智能世界的一个重要引擎,也催生了物联网技术的快速发展。目前,发展物联网的一大挑战是寻找传感通信节点的自供能技术,以支持大规模、分布式传感网络的构建。 针对这一技术挑战,我国多个领域都在积极筹划以图破解之道。2021年国家重点研发计划“智能传感器”重点专项针对人体多参量生物传感器在无线场景下自供能入网难题,提出研究从人体获取能量的自供能技术;2022年国家重点研发计划“智能传感器”重点专项针对配用电网络状态感知分布式传感器的供能入网难题,提出了磁电耦合自供能磁场敏感元件及传感器的项目指南;2022年国家自然科学基金也将攻关航天用微型压电振动俘能技术纳入指南范围。 可以说发展分布式能源获取技术,实现环境中微能源的回收再利用具有重要价值,也是响应国家节能减排战略,助力碳达峰的有效举措。 对于环境微能源的回收利用,在振动能、辐射能和近场电磁能等众多可收集能源中,电力电缆、工业机械和家用电器等产生的杂散磁能由于其频率固定和分布广泛,比风能等低频能量获取效率更高,一直受到研究人员的关注。特别是在建设智能电网的背景下,对输电线路状态参数的在线监测与故障诊断迫切需要从架空电缆中俘获能量而构建可持续的自供能传感网络。 就如小说《三体》中描绘的那个美丽新世界,杯子无需电源、电池,可以自加热,空中的飞车也不用电池,却能不停地飞,永远也不会没有电,都是由于电源用微波或其他形式的电磁震荡来发电而形成的无线供电场。这种技术其实就是目前用于手机无线充电的技术。最初,人们也把目光投向了这种传统线圈式感应取电装置。但是这种技术有着体积大、安装不便和难以耐受短时大电流冲击等突出问题。 因而,人们开始研究一种由磁能转化为机械能再转化为电能(MME)的俘能装置,这一技术有望成为下一代低频磁场能量收集的新选择。 储昭强介绍,这种新型俘能器件是利用磁扭矩效应以及磁滞伸缩效应,再利用压电效应实现机械能与电能之间的转换,其优势在于无需线圈式感应取电装置所需的闭合磁路,且可以实现更高效率的能量转换和对强电流脉冲的更高耐受度。 适用于低场能量收集的新方法 储昭强从2016年开始接触振动和磁场的能量收集技术。从2016年到2021年,一直致力于基于传统悬臂梁式谐振结构的材料和器件方面的研究。这是一种一端固定而另一端自由,且在自由端附加质量块(磁铁)的能量收集器结构。这种结构由自由端磁性质量块提供驱动扭矩,同时贡献了超过90%的等效质量。在这种情况下,如果要维持谐振器50赫兹(Hz)的谐振频率不变,则难以单纯通过增加自由端磁铁的质量来增强磁—力耦合性能。也正是这个原因,目前大多数研究的悬臂梁式磁—机—电器件仅局限于对强磁场,即大于5奥斯特(Oe)磁场的能量收集。世界卫生组织指出公众可接触的50/60Hz交变磁场安全阈值为1Oe,而且环境中杂散磁场的大小一般也低于此参考值。因此也有必要探索适应于低场能量收集的新原理和新方法。 基于“磁—机—电俘能器件如何降低自由端磁性质量块的等效质量”这一思考,储昭强大胆创新,提出了一种两端夹持梁的设计思路。这种设计使磁—机—电俘能器件的两端都固定起来,采用一种二阶振动模式,降低了中心磁性质量块的动能,从而减小了其对谐振系统等效质量的贡献,在增加磁铁体积的情况下大大提升了系统在50Hz弱场条件下的输出性能。 实验表明,在弱磁环境的相同激励条件下,该能量收集器在同等单位时间内可输出的电能是传统悬臂梁式结构的2倍多,完全可以使没有安装电池的传感器正常工作并与手机终端进行通信连接。 储昭强表示:“在科研工作中,起到关键作用的往往就是一个小小的,甚至不起眼的设计方法。但是这个方法的来源一定是基于长期的研究和思考。” 未来或用于水下小型仿生平台 “目前,这种对于磁场的能量收集技术在应用上还有一定的局限性,科学总是解决了一个问题就会带来很多新问题的过程。”储昭强向科技日报记者表示,未来,他将主要考虑进一步优化两端夹持磁—机—电俘能器件在材料方面、几何方面的参数设计,进一步实现增加适应的磁场变化范围和微型化的集成,为研制自供能磁场敏感元件,电网输变电智能感知与配用电网络拓扑关系识别等应用提供关键技术。 储昭强同时表示,团队将结合哈尔滨工程大学船海科研特色优势,深入研究水下小型仿生平台如水下机器鱼、无人水下航行器等基于超声和磁场的无线供能技术,这不仅能解决小型仿生平台等能源“取”的问题,同时解决能源“供”的问题。 储昭强所在的哈尔滨工程大学水声学院与创新发展基地“海洋磁传感器和探测”团队于2017年成立并不断发展壮大,团队瞄准水下目标多传感探测的基础理论、关键技术和工程应用,全面开展了基础磁材料、磁传感器研制、水下信息感知和处理等技术研究。