2022 年 12 月，美国加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室国家点火装置 (NIF) 的科学家宣布在他们的聚变实验中，首次产生了所谓的燃烧等离子体，比如是一种状态，其中投入等离子体的能量被聚变过程中产生的氦核的热量所补偿，这引起了媒体极大的轰动。具体来说，他们从充满氢同位素氘 (D) 和氚 (T) 的小球中释放出 3.15 兆焦的聚变能，而激光的能耗仅为 2.05 兆焦——这无疑是未来核聚变能源生产迈出了一大步！早在 2022 年，英国 JET 实验室的研究人员就打破了他们自己的核聚变产生能量的世界纪录：五秒钟约 59 兆焦耳的能量。仅这两项研究成果就说明了一个问题：核聚变研究发展迅速，核聚变作为未来安全可持续的能源具有巨大潜力！
启动核聚变的各种技术方法已被证明是未来聚变反应堆的有前途的候选者。因此，不断产生比消耗的能量更多的聚变反应堆的梦想正在一步步接近。当然，还有很长的路要走：乐观估计，第一批商业反应堆最早要到本世纪中叶左右才能投入使用。尽管如此，该领域已经拓宽，越来越多的玩家正在进入核聚变领域。例如，除了 ITER、JET 或 NIF 等大型研究项目外，全球 30 多家私人融资公司现已专门从事具有商业潜力的聚变概念。无论是研究机构还是刚创立的初创企业，很多公司都使用来自 VAT 的阀门技术来构建他们的融合设备，囊括定制的一次性产品到完整的阀门产品组合。
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通过受控核聚变产生能量——世界各地的研究团队都在狂热地追逐这个人类的梦想。当两个原子核聚变在一起时会产生聚变能：根据爱因斯坦著名的公式 E = mc2，两个原始原子核与产生的聚变核之间的质量差以能量形式释放。这涉及难以想象的巨大能量。例如，将一克氘氚混合物转化为氦气（和中子）会产生大约 100 MWh 的热能。要从硬煤中产生如此多的能量，必须燃烧超过 12 吨煤！
劳森准则对于核聚变反应的成功具有决定性意义。只有满足这个数学物理条件，聚变反应才能在宏观燃料量下自持，因为释放的聚变能量留在等离子体中的比例大于等离子体的能量损失。在这种情况下，物理学家指的是等离子体点火。如果上述 NIF 研究结果被证明是稳健的，这将是聚变研究史上第一次在受控反应中满足劳森准则——是一个真正的里程碑。
核聚变在各个方面都是一项尖端的事业。两个原子核要能够相互融合，首先必须有极高的动能，否则它们会被库仑力排斥而分开，无法进入“享受”短路的位置。射程核力，它最终负责聚变和相关的（结合）能量增益。因此，聚变实验需要极高的温度和压力。在聚变所需的这些条件下，氢以等离子体形式存在，即电子与原子核分离，基本粒子彼此独立运动。这种等离子体必须在核聚变反应堆中保持“在一起”，然后以受控方式加热，直到原子核开始聚变。直接限制在容器中是不可能的，因为如果等离子体与壁材料接触，它会立即冷却。那么该怎么办？多年来，科学家们发现了两种有前途的解决策略。
在磁约束中，将几克 DT 气体混合物引入一个环形真空容器，其大小为数立方米，并加热至高达 1.5 亿开尔文，使气体进入等离子体状态。然后，借助强磁场，等离子体中的电子和质子被巧妙地固定在“磁笼”中。聚变研究侧重于两种不同类型的设施，即托卡马克和仿星器。它们的主要区别在于限制等离子体的磁场是如何构建的。托卡马克装置通过在等离子体中流动的电流产生磁环场，而仿星器仅借助外部线圈产生环场。托卡马克反应堆的例子包括前面在其 2022 年世界纪录的背景下提到的英国联合欧洲环面 (JET)、德国加兴的 ASDEX 升级以及计划中的法国 ITER 反应堆。仿星器的一个有前途的例子是 Wendelstein 7-X，由德国格赖夫斯瓦尔德的马克斯普朗克等离子体物理研究所运营。在这一领域做出有前途研究的私营公司包括 Commonwealth Fusion Systems、Tokamak Energy 和 Renaissance Fusion。磁约束技术有着悠久且具有相应指导意义的发展历史，可以追溯到 1940 年代。此外，已经过测试的许多变体使磁约束成为未来核聚变反应堆的有前途的技术候选者。然而，与其他技术相比，磁约束装置的建设/运营成本极高，如何永久稳定等离子体目前仍令研究人员颇为头疼。
在惯性约束期间，包含 DT 混合物的几毫米大小的胶囊被强烈的激光辐射极快地（< 0.1 ns）加热到大约 1 亿度的温度。此外，通过爆破胶囊壳将燃料压缩至 > 3∙1015 bar 的压力，从而满足必要的聚变条件。等离子体限制的问题在这里只起次要作用，因为当膨胀的等离子体轰鸣着撞击胶囊壁时，已经发生了足够多的聚变反应。基于这种融合原理的研究设施最突出的例子是前面提到的 NIF。该研究领域的知名私营公司包括 Innoven Energy、First Light 和 Marvel Fusion。惯性约束的优点是良好的保温性和相对较长的约束时间。此外，较低的运行能量输入和相对简单的设备设计也支持这项技术。然而，围绕工厂的效率、稳定性和控制，仍有许多挑战需要克服。
磁化目标融合 (MTF) 或磁惯性融合 (MIF) 是上述两种方法的组合。与磁方法一样，聚变燃料在磁场的作用下以相当低的密度聚集在一起，同时被加热形成等离子体。与惯性约束一样，然后通过快速压缩目标来启动聚变，以获得必要的燃料密度和温度。有理由希望这种组合将大大简化聚变装置的设计。然而，MTF工厂的效率低于预期，实现等离子点火也被证明是比较困难的。在这一领域研究最活跃的公司包括美国的 Helion Energies 和 TAE 或加拿大的 Generalfusion。
无论使用何种具体技术，核聚变都开启了不受天气影响且最重要的是无排放能源的宝贵机会。另一大优势是氢是地球上几乎取之不尽用之不竭的原材料。此外，与燃烧化石燃料时产生的对环境有害的温室气体相比，核聚变产生的残留物在化学上完全无害。也不存在核聚变反应像核电站中的链式反应那样“失控”的危险：在最坏的情况下，等离子体无法聚变，发电陷入停顿。在核电站中备受争议的持久性高放射性废物在核聚变反应堆中也起着微不足道的作用，因为主要是非放射性氦气被清除。虽然放射性物质以氘和氚的形式使用，高能中子也参与了聚变过程，但它们的释放量都比较小，半衰期比较短，活化程度也较低。总而言之，专家们一致认为，鉴于这种能源产生技术的巨大潜力，核聚变所涉及的风险是完全合理的！
这听起来完美的令人难以置信吗？不幸的是，以能源生产为目的的受控核聚变在技术上极具挑战性，尽管去年取得了很大进展，但我们距离建造真正能够产生能源的核聚变演示器还有很长的路要走。大多数专家认为，核聚变要到 2050 年才能成为真正的能源替代品。在此之前还有很多很多工作要做。据此，可以预见，未来几年，世界各国的研究机构和大学将联手将核聚变发展成为真正可以利用的能源。许多初创企业也在私营部门站稳脚跟，为围绕核聚变做出有价值的研究。例如，美国 Editekk 公司正在开发一种基于钨的面向等离子体材料 (PFM)，这种材料应该能够承受聚变反应堆中的极端条件。比利时初创公司 Magics 正在开发抗辐射集成电路和自主机器，以可靠地运行和维护聚变反应堆。
由于极高的温度和压力以及放射性负荷，核聚变研究中的工厂工程要求特别高。由于VAT在全球无数高要求高能物理研究项目中的丰富经验，是您在这一领域的理想合作伙伴。无论是全金属设计还是阀门的温度和辐射屏蔽，还是定制的单个部件还是完整的产品组合，几十年来，VAT 一直在为许多最具影响力的核聚变设施提供合适的阀门技术。
可以实现任何形式的定制阀门解决方案：为 ITER 项目制造的全金属闸阀直径为 1.6 米，是有史以来最大的高真空全金属阀门之一。它的主要功能是将tokamak真空容器和中性束真空容器的体积分开，以便两者都可以独立地排放到大气压力。技术参数如下：
◦ 安全等级 SIC 1（抗震等）。
◦ 重量：7870 公斤
◦ 压力：10-9 mbar 至 2 bar
◦ 压差 (2 bar) 下滑板上的力：27 t
◦ 温度：高达 200°C
◦ 抗辐射：108 Gy
VAT 在ITER 项目里为提供在聚变中可以实现的灵活性和解决方案能力做出了完美的示范：为 ITER 定制的用于分隔tokamak真空容器和中性束真空容器的全金属闸阀，不仅尺寸非常适宜，而且它必须满足大量的技术规范和测试。 VAT负责全金属阀门的产品经理Phil Schneider这样描述具体任务：“在ITER反应堆中，有三个非常强大的中性束注入器，用于加热或诊断等离子体。每个注入器形成一个真空室，它必须能够独立于tokamak真空容器进行排气以进行维护或发生故障。” VAT为此开发的全金属闸阀基于创新的VATRING技术——一种专利的VAT密封技术，用于全金属阀门在特高压条件下反复密封关闭。带银涂层的不锈钢密封件安装在阀门中，确保阀盘上压力梯度高达 0.2 MPa / 2 bar 的高真空密封性，同时泄漏率低于 10-7 mbar每秒。 “对于 VAT 团队来说，这种特殊的开发是一个很好的机会，团队可以贡献他们丰富的知识和多年的经验，”Phil Schneider 说，他对与 ITER 开发人员的全面成功合作感到非常荣幸。
劳森准则对于核聚变反应的成功具有决定性意义。只有满足这个数学物理条件，聚变反应才能在宏观燃料量下自持，因为释放的聚变能量留在等离子体中的比例大于等离子体的能量损失。在这种情况下，物理学家指的是等离子体点火。如果上述 NIF 研究结果被证明是稳健的，这将是聚变研究史上第一次在受控反应中满足劳森准则——是一个真正的里程碑。
核聚变在各个方面都是一项尖端的事业。两个原子核要能够相互融合，首先必须有极高的动能，否则它们会被库仑力排斥而分开，无法进入“享受”短路的位置。射程核力，它最终负责聚变和相关的（结合）能量增益。因此，聚变实验需要极高的温度和压力。在聚变所需的这些条件下，氢以等离子体形式存在，即电子与原子核分离，基本粒子彼此独立运动。这种等离子体必须在核聚变反应堆中保持“在一起”，然后以受控方式加热，直到原子核开始聚变。直接限制在容器中是不可能的，因为如果等离子体与壁材料接触，它会立即冷却。那么该怎么办？多年来，科学家们发现了两种有前途的解决策略。
在磁约束中，将几克 DT 气体混合物引入一个环形真空容器，其大小为数立方米，并加热至高达 1.5 亿开尔文，使气体进入等离子体状态。然后，借助强磁场，等离子体中的电子和质子被巧妙地固定在“磁笼”中。聚变研究侧重于两种不同类型的设施，即托卡马克和仿星器。它们的主要区别在于限制等离子体的磁场是如何构建的。托卡马克装置通过在等离子体中流动的电流产生磁环场，而仿星器仅借助外部线圈产生环场。托卡马克反应堆的例子包括前面在其 2022 年世界纪录的背景下提到的英国联合欧洲环面 (JET)、德国加兴的 ASDEX 升级以及计划中的法国 ITER 反应堆。仿星器的一个有前途的例子是 Wendelstein 7-X，由德国格赖夫斯瓦尔德的马克斯普朗克等离子体物理研究所运营。在这一领域做出有前途研究的私营公司包括 Commonwealth Fusion Systems、Tokamak Energy 和 Renaissance Fusion。磁约束技术有着悠久且具有相应指导意义的发展历史，可以追溯到 1940 年代。此外，已经过测试的许多变体使磁约束成为未来核聚变反应堆的有前途的技术候选者。然而，与其他技术相比，磁约束装置的建设/运营成本极高，如何永久稳定等离子体目前仍令研究人员颇为头疼。
在惯性约束期间，包含 DT 混合物的几毫米大小的胶囊被强烈的激光辐射极快地（< 0.1 ns）加热到大约 1 亿度的温度。此外，通过爆破胶囊壳将燃料压缩至 > 3∙1015 bar 的压力，从而满足必要的聚变条件。等离子体限制的问题在这里只起次要作用，因为当膨胀的等离子体轰鸣着撞击胶囊壁时，已经发生了足够多的聚变反应。基于这种融合原理的研究设施最突出的例子是前面提到的 NIF。该研究领域的知名私营公司包括 Innoven Energy、First Light 和 Marvel Fusion。惯性约束的优点是良好的保温性和相对较长的约束时间。此外，较低的运行能量输入和相对简单的设备设计也支持这项技术。然而，围绕工厂的效率、稳定性和控制，仍有许多挑战需要克服。
磁化目标融合 (MTF) 或磁惯性融合 (MIF) 是上述两种方法的组合。与磁方法一样，聚变燃料在磁场的作用下以相当低的密度聚集在一起，同时被加热形成等离子体。与惯性约束一样，然后通过快速压缩目标来启动聚变，以获得必要的燃料密度和温度。有理由希望这种组合将大大简化聚变装置的设计。然而，MTF工厂的效率低于预期，实现等离子点火也被证明是比较困难的。在这一领域研究最活跃的公司包括美国的 Helion Energies 和 TAE 或加拿大的 Generalfusion。
无论使用何种具体技术，核聚变都开启了不受天气影响且最重要的是无排放能源的宝贵机会。另一大优势是氢是地球上几乎取之不尽用之不竭的原材料。此外，与燃烧化石燃料时产生的对环境有害的温室气体相比，核聚变产生的残留物在化学上完全无害。也不存在核聚变反应像核电站中的链式反应那样“失控”的危险：在最坏的情况下，等离子体无法聚变，发电陷入停顿。在核电站中备受争议的持久性高放射性废物在核聚变反应堆中也起着微不足道的作用，因为主要是非放射性氦气被清除。虽然放射性物质以氘和氚的形式使用，高能中子也参与了聚变过程，但它们的释放量都比较小，半衰期比较短，活化程度也较低。总而言之，专家们一致认为，鉴于这种能源产生技术的巨大潜力，核聚变所涉及的风险是完全合理的！
这听起来完美的令人难以置信吗？不幸的是，以能源生产为目的的受控核聚变在技术上极具挑战性，尽管去年取得了很大进展，但我们距离建造真正能够产生能源的核聚变演示器还有很长的路要走。大多数专家认为，核聚变要到 2050 年才能成为真正的能源替代品。在此之前还有很多很多工作要做。据此，可以预见，未来几年，世界各国的研究机构和大学将联手将核聚变发展成为真正可以利用的能源。许多初创企业也在私营部门站稳脚跟，为围绕核聚变做出有价值的研究。例如，美国 Editekk 公司正在开发一种基于钨的面向等离子体材料 (PFM)，这种材料应该能够承受聚变反应堆中的极端条件。比利时初创公司 Magics 正在开发抗辐射集成电路和自主机器，以可靠地运行和维护聚变反应堆。
由于极高的温度和压力以及放射性负荷，核聚变研究中的工厂工程要求特别高。由于VAT在全球无数高要求高能物理研究项目中的丰富经验，是您在这一领域的理想合作伙伴。无论是全金属设计还是阀门的温度和辐射屏蔽，还是定制的单个部件还是完整的产品组合，几十年来，VAT 一直在为许多最具影响力的核聚变设施提供合适的阀门技术。
可以实现任何形式的定制阀门解决方案：为 ITER 项目制造的全金属闸阀直径为 1.6 米，是有史以来最大的高真空全金属阀门之一。它的主要功能是将tokamak真空容器和中性束真空容器的体积分开，以便两者都可以独立地排放到大气压力。技术参数如下：
◦ 安全等级 SIC 1（抗震等）。
◦ 重量：7870 公斤
◦ 压力：10-9 mbar 至 2 bar
◦ 压差 (2 bar) 下滑板上的力：27 t
◦ 温度：高达 200°C
◦ 抗辐射：108 Gy
VAT 在ITER 项目里为提供在聚变中可以实现的灵活性和解决方案能力做出了完美的示范：为 ITER 定制的用于分隔tokamak真空容器和中性束真空容器的全金属闸阀，不仅尺寸非常适宜，而且它必须满足大量的技术规范和测试。 VAT负责全金属阀门的产品经理Phil Schneider这样描述具体任务：“在ITER反应堆中，有三个非常强大的中性束注入器，用于加热或诊断等离子体。每个注入器形成一个真空室，它必须能够独立于tokamak真空容器进行排气以进行维护或发生故障。” VAT为此开发的全金属闸阀基于创新的VATRING技术——一种专利的VAT密封技术，用于全金属阀门在特高压条件下反复密封关闭。带银涂层的不锈钢密封件安装在阀门中，确保阀盘上压力梯度高达 0.2 MPa / 2 bar 的高真空密封性，同时泄漏率低于 10-7 mbar每秒。 “对于 VAT 团队来说，这种特殊的开发是一个很好的机会，团队可以贡献他们丰富的知识和多年的经验，”Phil Schneider 说，他对与 ITER 开发人员的全面成功合作感到非常荣幸。