任何 PtG 或 PtL(电转液)途径的共同步骤都是水电解,以提供后续燃料合成所需的 H 2。从技术角度来看,这是最重要的一步。24–26 最有效的技术是高温电解,利用固体氧化物电解池 (SOEC)。PtG 非常适合大规模应用,已由多个工业规模试验工厂证明。27–29 因此,通过 CH 4 进行储能具有三大优势:(i)它代表了最先进的技术,可以在短期内部署,(ii)可以采用新颖和成熟的发电厂技术将 CH 4 重新转化为电能(天然气发电;GtP),以及(iii)现有的天然气管网可用于其储存和分配,使其成为对能源转型过程以及工业和运输部门转型具有突出意义的能源载体。23,30
有大量的能源存储选项可供选择 [2]。其中最先进的一种是 CES(低温能源存储),它在英国有一个正在运行的试验工厂。CES 涉及使用多余的电力来运行空气液化设备,将环境空气液化并将其储存在绝缘罐中。当需要能源时,这些空气被释放、蒸发、膨胀并通过涡轮机械发电。仅此一项,往返效率就可能达到约 50% [6]。这一事实凸显了新型能源存储系统常见的一个关键问题;往返效率通常太低,以至于这些系统无法在电力便宜(过剩)时购买电力并在电力昂贵(有需求)时出售,从而实现经济可行性。该系统电力排放侧的低温为火力发电厂提供了额外的机会;CES 能够从这些工厂中提取原本被视为废物的低品位热量,从而提高有效的往返效率。
本文件的目的 本文件概述了将于 2024 年至 2029 年提出的 DIII-D 国家聚变设施研究计划。最终的拟议计划将于 2022 年 9 月提交给美国能源部 (DOE),届时将开始正式的 DOE 审查程序。作为 DOE 科学用户设施办公室,DIII-D 服务于国家利益和 DOE 聚变能源科学计划的聚变能源研究目标。该计划对美国聚变社区(包括公共和私营部门合作伙伴)的观点和想法感兴趣。与所有其他科学用户设施办公室一样,DIII-D 向所有感兴趣的潜在用户开放,不论国籍或机构隶属关系。DIII-D 5 年研究计划是通过来自用户群和 DOE 的输入过程生成的。与美国聚变能源计划的更广泛需求一致,该计划的大纲旨在允许潜在用户和其他参与聚变能源开发的人员提供反馈。鼓励潜在用户就本计划提出意见,并提出新的或额外的想法。有些想法可能很好地融入了该计划,并根据该计划实施,但也可以提出其他活动,这些活动可以使用 DIII-D 平台的许多功能来推进商业核聚变的道路。在下一执行期的拟议计划中,该设施寻求弥补核聚变试验工厂设计中的差距,推进核聚变材料和技术,并确保 ITER 项目取得成功,并确保美国研究人员能够有效参与。以下部分代表了该计划涵盖的研究和治理领域。提供了每个领域的广泛摘要,并附有附录,列出了具体的设施能力改进。在 2021 财年的实验活动中,超过 400 名专业人员直接参与了 DIII-D 研究,其中 230 名在现场工作。该计划目前有 50 名研究生和 41 名博士后学者。有关 DIII-D 资源和能力的信息:https://fusion.gat.com/global/diii-d/home 提交反馈:contact-d3d@fusion.gat.com 缩小技术差距以加速聚变试验工厂的设计 在缩小聚变试验工厂 (FPP) 设计的技术差距方面,DIII-D 计划利用其快速迭代能力实现全面的研究进展。这包括快速改变托卡马克偏滤器几何形状,以及在强大的诊断和理论和建模能力支持下研究新的等离子体场景。加热和电流驱动能力、等离子体整形和环形场的大幅提升将为缩小差距提供基础
Joe Curcio 是 Bechtel Parsons Blue Grass 团队的项目经理。他的职责包括领导合资系统承包商团队,负责关闭 Blue Grass 化学药剂销毁试验工厂 (BGCAPP),包括其正在进行的静态爆炸室操作以及主工厂的净化、退役和拆除工作。他从 2019 年起担任 BGCAPP 的副项目经理,直到 2024 年被选为项目经理。在加入 BGCAPP 之前,Curcio 曾在核领域的高危设施工作。他的核经验包括南卡罗来纳州萨凡纳河、华盛顿州汉福德废物处理和固定化工厂、华盛顿州汉福德华盛顿关闭、纽约分离过程恢复单元和纽约西谷示范项目。除了国防部项目外,Curcio 还拥有超过 28 年的项目管理和运营经验,曾在能源部、国家核安全局和环境管理组织负责大型核武器、化学武器和资本项目。他是一名认证项目经理,在完成海军核动力计划、在美国海军服役并获得霍顿大学理学学士学位后,于 1994 年开始从事核运营工作。
波士顿金属公司正在通过 MOE 开辟一条新的初级炼钢工艺路线。与使用碳还原铁矿石的传统路线(即将铁与矿石中的氧分离)不同,MOE 工艺使用直流电还原铁矿石。矿石在 1,600°C 左右的氧化物电解质中熔化,穿过熔池的电子将铁与氧分离,产生的副产品是氧气,而不是正常的 CO 和 CO 2 混合物。请参阅下面的公式。结果是清洁、高纯度的液态金属,可以直接送往钢包冶金,而无需重新加热。该工艺可用于所有铁矿石等级。MOE 工艺消除了焦炭生产、铁矿石加工、高炉还原和碱性氧气炉精炼的需要。它还可以取代天然气供给的 DRI 生产。该公司还在探索该技术用于铌和钒等其他高价值金属,并正在巴西投资一家试验工厂。新技术预计将在 2026 年实现钢铁商业化。自 2019 年以来,RHI Magnesita 一直是 Boston Metal 的主要合作伙伴。
聚变能源科学咨询委员会 (FESAC) 长期计划 (LRP) 2020 年报告“驱动未来:聚变与等离子体”在其执行摘要中指出,“现在是积极部署聚变能源的时候了,它可以为现代社会提供大量动力,同时缓解气候变化。”此外,同一报告还指出,“完成[聚变]能源使命需要将研究的平衡转向FM&T(聚变材料和技术),它将三大科学驱动因素联系在一起:维持燃烧等离子体、为极端条件设计和利用聚变能。”此外,美国国家科学、工程和医学院 (NASEM) 2021 年共识研究报告“将聚变引入美国电网”中的一项重要建议是:“为了使美国在 2050 年前成为聚变领域的领导者并在向低碳排放电力系统的过渡中发挥影响,能源部和私营部门应在 2035-2040 年期间在美国的一个聚变试验工厂中生产净电力。”这些报告中的建议反映了过去几十年来聚变科学和技术的巨大进步以及私营部门在聚变领域的快速增长和大量投资,有助于政府认识到聚变能源在推进实现 2050 年净零排放目标方面的潜力。
在过去十年中,人们广泛研究了用作聚光太阳能发电厂热化学储能系统的钙循环 (CaL) 工艺,目前第一批大型试验工厂正在建设中。现有研究侧重于提高稳态和单一运行模式下的整体效率:储能或回收能量。然而,TCES 系统将在不同的运行点下运行,以使其反应堆的负载适应太阳能可用性和动力循环的能量需求。对运行模式的彻底分析提供了大量操作系统的潜在情况。在本研究中,定义了最大化热能可用性和储能效率的运行图。此外,基于初步实验结果,研究了一种管理部分碳化固体的新方法,以减少系统中惰性物质的循环,从而实现碳化固体的部分分离。分析了两种阈值情景:(i) 大多数 CaL TCES 研究中考虑的无固体分离和 (ii) 理想的完全固体分离。这项研究的目的是制定方法标准,以确定最佳操作图,并评估部分碳酸化固体分离对能量损失和设备尺寸的影响。加入固体分离阶段可使能量存储效率最多提高 26%,受固体流影响的热交换器尺寸减小 53% 至 74%。
空气动力学、结构、材料、推进、电子和系统。NAL 在 20 世纪 70 年代最杰出的工程成就是开发了用于测试飞机疲劳寿命的全尺寸疲劳试验设施,这对延长各种飞机的寿命做出了重大贡献。到 20 世纪 70 年代中期,NAL 已成为印度航空领域的主要参与者之一。它被公认为管理最完善的国家实验室,承担了 100 多个航空航天领域的高科技研发项目。NAL 在此期间活动的一个非常引人注目的特点是数字“”·设备开发能力范围令人惊叹,例如数据记录和负载测量系统、温度控制器等。一个非常成功的故障分析和事故调查小组逐渐发展起来。这项活动旨在满足印度航空航天组织的需求。许多涉及飞机、直升机和用于国防飞机的地面设备的事件/事故的调查被 IAF(印度空军)、HAL(印度斯坦航空有限公司)、MoCA(民航部)等提交给实验室进行调查。截至目前,该小组已调查了 1,500 多起民用和军用飞机事故/事件。NAL 将探索在故障分析中引入人工智能 (AI) 和数据分析,以快速获得结果。纤维增强塑料 (FRP) 试验工厂的建立是为了建造大型机鼻雷达罩来容纳敏感的电子设备。
排名成员 Martin Heinrich 提问 问题 1:我们国家实验室的优势在于其科学和工程项目的多样性。即使在洛斯阿拉莫斯这样的核武器设施,吸引和留住顶尖人才的一个关键因素也是科学家有机会与各个领域的顶尖专家合作。您是否承诺不会减少能源部国家实验室开放科学的研究能力和人员配置? 回答:开放科学是技术和科学创新的重要组成部分,我致力于支持能源部国家实验室的使命和专业知识。 问题 2:人工智能将通过加快科学发现的速度和扩大以前只有少数专家才能获得的知识获取渠道,从根本上改变国家安全科学和工程的性质。如果得到确认,您将如何以能源部的提案(即科学、安全和技术人工智能前沿计划或 FASST 计划)为基础,以确保我们的国家实验室帮助我们在科学和国防人工智能领域引领世界?回应:人工智能正在改变行业的面貌,带来科学突破和一系列其他社会进步。如果得到确认,我期待了解更多关于 FASST 计划的信息,并找到其他方式来支持我们的国家实验室在科学和国家安全人工智能领域引领世界。问题 3:新墨西哥州的废物隔离试验工厂 (WIPP) 对我们国家的核清理责任至关重要。我很高兴看到所有受影响方都能够成功地与能源部就该设施下一个十年许可期限达成和解协议。该协议包括改进的保障措施和监督,以及优先处理洛斯阿拉莫斯国家实验室等地遗留的国防废物。您是否承诺将遵守本协议的条款?回应:我期待在未来一年与您一起参观废物隔离试点计划和新墨西哥州领先的国家实验室。我打算在确认后审查和解协议的条款。改进保障措施和监督对包括 WIPP 在内的所有 DOE 设施都很重要,我会将其列为优先事项。