3月11日，Interesting Engineering发布了题为《US to test crucial nuclear “fusion blanket” to produce sun-like power on Earth》的报道。文章指出，核聚变技术作为未来清洁能源的重要方向，正逐渐从理论走向实践。美国爱达荷国家实验室（INL）的科学家们正在对“聚变包层”技术进行测试，以制造核聚变反应堆的关键部件。
INL的工作是美国能源部（DOE）“聚变创新研究引擎”（FIRE）合作项目的一部分。该项目向六个研究中心提供了1.07亿美元的资金支持。INL在FIRE合作项目中负责领导其中一个中心，并为另外两个中心的研究工作提供支持。该项目的目标是在十年内开发出可运行的燃料循环，并为商用核聚变电厂提供创新解决方案，以确保一种有韧性、可靠的能源供应。由INL牵头的中心名为“通过核试验加速聚变包层开发”（BNT），涉及五个国家实验室、四所大学和众多私营公司。美国通用原子能公司（General Atomics）正在提供工程技术和先进的计算机模型，另一家公司托卡马克能源（Tokamak Energy）正在合作开发和设计聚变包层技术。Tokamak Energy的代表亚伦·华盛顿（Aaron Washington）表示：“聚变包层对于将无限的聚变能源输送到电网至关重要。我们目前专注于帮助INL和DOE确保他们的测试与私营公司的需求相关联，并使这些测试成为未来聚变能源发展的一部分。”
一、核聚变包层及其重要性
聚变是将两个最小的原子结合在一起的过程，需要特殊的氢原子——氘（有一个中子）和氚（有两个中子）。将它们融合在一起会产生巨大的能量，这与太阳内部发生的反应相同。负责该项目辐照测试的INL首席科学家Chase Taylor表示：“聚变包层是聚变反应堆的核心部分。”聚变包层的作用是捕获聚变反应过程中产生的能量和粒子。它在核聚变电厂中发挥三个重要作用：为反应堆制造新燃料、将核聚变能量转化为热能用于发电，以及保护核反应堆的磁体。
二、在裂变反应堆中测试核聚变包层
INL的现有研究主要集中在核裂变领域。因此，美国科学家将利用现有能力，在核裂变环境中测试聚变包层的性能。根据INL发布的消息，研究团队将在裂变反应堆中测试包层系统的部分组件。参与该项目的一位科学家表示，这将“为聚变能源行业提供一种在真实条件下快速测试这些材料的方法”。
Chase Taylor说：“缺乏聚变中子（聚变反应堆产生的可用于测试的粒子）阻碍了聚变反应堆必要技术的开发。然而，我们可以利用我国领先的裂变研究反应堆，满足聚变行业大部分的核测试需求。”
三、INL为FIRE合作项目开展更多工作
INL还在协助负责开发、设计和制造聚变能源材料的团队，并为由萨凡纳河国家实验室（Savannah River National Laboratory）领导的团队提供建模和仿真支持，该团队的任务是增强聚变燃料循环技术开发能力。
聚变反应堆需要特殊燃料来产生能量，就像汽车需要汽油一样。聚变燃料循环是制造、使用和回收这种特殊燃料的过程，其中包括氢的同位素氘和氚。面临的挑战包括确保有足够的氚、安全处理废物，以及确保反应堆材料保持强大和高效。
INL的科学家将利用基于MOOSE的开源建模代码，以及INL的Bitterroot、Sawtooth和Hoodoo超级计算机的高性能计算能力，为这些工作做出贡献。计算科学家Casey Icenhour表示：“建立强大的燃料循环对于商业聚变能源生产至关重要，但仍有许多重大挑战需要解决。该合作项目旨在通过燃料循环过程建模和尖端技术开发来解决这些挑战。他们还将寻求处理副产品材料的解决方案，并培养未来的燃料循环劳动力。”
四、关于美国爱达荷国家实验室（INL）
美国爱达荷国家实验室（Idaho National Laboratory，INL）成立于1949年，位于美国爱达荷州东部，是美国能源部下属的以科学为基础的应用工程实验室。INL的核心任务是支持美国能源部在能源、国家安全、科学和环境领域的战略目标。实验室占地约890平方英里，是美国最大的国家实验室之一。
INL在核能研究领域具有悠久的历史和卓越的成就。自1951年首次实现核裂变发电以来，INL已成功设计和运行了52座核反应堆，奠定了全球核能技术的基础。实验室不仅专注于核裂变技术，还在核聚变研究中发挥着重要作用。例如，INL正在领导“聚变创新研究引擎”（FIRE）合作项目中的聚变包层开发工作。此外，INL还致力于开发和测试先进核燃料技术。例如，2025年2月，INL与Lightbridge公司合作，成功完成了新型核燃料的共挤压演示。实验室还通过与橡树岭国家实验室（ORNL）合作，加速了增材制造核部件的检查流程。
INL的研究设施和能力涵盖核科学、材料科学、工程技术和环境科学等多个领域。其旗下的核科学用户设施（NSUF）为全球研究人员提供开放的核能研究平台。实验室还积极参与国际合作，推动核能技术的全球应用。INL不仅在核能领域取得了卓越成就，还在国家和国土安全方面做出了重要贡献。例如，实验室在关键基础设施保护和防止核扩散方面的能力得到了国际认可。此外，INL还致力于可再生能源一体化、水资源利用等多领域的研究。
总之，美国爱达荷国家实验室（INL）作为全球核能研究的领导者，不仅在核聚变和核裂变技术开发中发挥着关键作用，还在推动清洁能源和国家安全技术的发展中扮演着重要角色。
参考链接：
- https://interestingengineering.com/energy/us-inl-nuclear-fusion-blanket