新型电力反应堆可减少工业排放
目前，美国工业生产过程产生的二氧化碳约占该国二氧化碳排放量的三分之一，甚至超过乘用车、卡车和飞机的年排放量总和。该行业的脱碳是一项具有挑战性但至关重要的措施，可减轻对未来气候的影响。斯坦福工程学院的研究人员设计并演示了一种新型热化学反应器，该反应器能够利用电力而非燃烧化石燃料产生许多工业过程所需的大量热量。该设计发表在《焦耳》杂志上，比现有的化石燃料技术更小、更便宜、更高效。
“我们拥有一套电气化、可扩展的热化学过程反应堆基础设施，具有理想的加热和传热特性，”斯坦福大学电气工程副教授、论文资深作者乔纳森·范 (Jonathan Fan) 表示。“从本质上讲，我们正在将反应堆性能推向物理极限，并使用绿色电力为其提供动力。”
感应加热
大多数标准热化学反应器的工作原理是燃烧化石燃料加热流体，然后流体流入反应器的管道——就像锅炉将热水输送到旧房子的铸铁散热器一样，但隔热效果更好，温度也高得多。这需要相当多的基础设施，而且沿途有很多机会损失热量。
新型电反应堆利用磁感应产生热量，与电磁炉使用的过程相同。感应加热无需通过管道传输热量，而是利用电流和磁场之间的相互作用在反应堆内部产生热量。
例如，如果你想感应加热一根钢棒，你可以用一根导线缠绕它，然后让交流电通过线圈。这些电流会产生一个振荡磁场，进而在钢中感应出电流。由于钢不是完美的电导体，所以部分电流会转化为热量。这种方法可以同时有效地加热整块钢，而不是从外向内产生热量。
将感应加热技术应用于化学工业并不像加热那么简单。工业反应器需要在三维空间内均匀地产生和分配热量，并且比普通炉灶效率高得多。研究人员确定，他们可以通过使用频率极高的电流（这种电流交替得非常快）与电导体极差的反应器材料相结合，最大限度地提高效率。
研究人员利用电气工程副教授、论文合著者胡安·里瓦斯-达维拉 (Juan Rivas-Davila) 开发的新型高效电子设备来产生所需的电流。然后，他们利用这些电流感应加热反应堆核心中由导电性较差的陶瓷材料制成的三维晶格。
范教授表示，晶格结构与材料本身同样重要，因为晶格空隙会人为地进一步降低电导率。而这些空隙可以填充催化剂——需要加热才能引发化学反应的材料。这使得传热效率更高，意味着带电反应堆可以比传统的化石燃料反应堆小得多。
“你加热的是紧邻催化剂的大表面积结构，因此产生的热量会很快传到催化剂上，从而推动化学反应，”范说。“此外，它简化了一切。你不会从其他地方传输热量，也不会在传输过程中损失一些热量，你不需要任何进出反应堆的管道——你可以完全隔离它。从能源管理和成本的角度来看，这是理想的。”
更多信息： Calvin H. Lin 等人，带高频超材料反应器的带电热化学反应系统，Joule (2024)。DOI ：10.1016/j.joule.2024.07.017
期刊信息： Joule
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