我们能让核聚变成功吗?在巨大承诺之外的现实分析

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更新于: 2020年12月14日13:26:18 格林尼治标准时

在太阳的核心中,聚变在极度高压和15,000,000℃的温度下发生。 我们真的能够在地球上创造这种条件吗?事实证明,我们可以!

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地球宝宝正在焊接一个太阳

有许多类型的聚变反应堆,许多公司和实验室正在开发这些反应堆。还有关于使用氚和氘以外的燃料的建议。 为了能详细阐述一定程度的细节,同时保持本文较短的篇幅, 我们将只覆盖到2020年竞争领先的反应堆类型:托卡马克。要探索其他类型,请参阅章节’未解决的问题’!

聚变的3个疯狂要求

目标是明确的:为了使氘和氚融合,我们需要使它们的核心相互接触 ,并使用比聚变反应产生的能量还少的能量来达成。

要求1:制造等离子体。为了使原子核相互接触,我们首先需要使原子脱离电子。可以通过将混合物加热到超过100,000,000°C来完成。 由此产生的自由浮动电子与核形成等离子体。与固体、液体和气体一样,等离子体仅仅是另一个物质状态:

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等离子体 - 物质的第四态

第2步:密度: 密度描述了一个特定的体积里包含的粒子数量。 就聚变而言,我们想要把大量的氘和氚放入聚变反应堆中

第3步:压缩?: 我们将在哪里储存这种极热、高压的等离子体呢?我们需要一个能够较长时间承受这些条件的特殊容器。近年来,我们能够压缩这种能源的时间迅速增加,从2013年的30秒 到2017年的101.2秒(2020年仍保持这个记录)

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聚变要求

聚变反应堆何时才能足够的好呢?

聚变的研究和工程有两个广泛目标:

  1. 科学上的成功: 反应堆产生的能量超过运行所需的能量
  2. 廉价的能源: 成本低且效率高到足以廉价出售能源

迄今为止,我们甚至还没有实现第一个目标

能量输入与输出比通常称为“Q”

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聚变的净能源生产

要增加 Q,我们可以做两件事:

  1. 使用较少的能源
  2. 生产更多的能源

结果是,这两者之间密切相关。随着越来越多的聚变反应 (即我们生产更多的能源),等离子体自身会越来越热。 这意味着我们不需要继续投入同样多的能量来加热。 在某个时候,它甚至可以在没有任何外部热量输入的情况下继续运行

在过去60年中,研究人员研究了很多不同的方法来实现这一目标 。 可悲的是,几乎所有这些设计的Q值都卡在0.0001至0.000001之间。 然而,有一种类型(称为’托卡马克’)已实现 Q=0.65

一起来看看它是如何运作的吧!

‘托卡马克’ - 聚变甜甜圈

Image of 托卡马克:从氘变成电力

托卡马克:从氘变成电力

请记住我们的三个问题:

  1. 将等离子加热到大约100,000,000°C
  2. 密度
  3. 等离子体压缩几秒钟到几分钟

托卡马克使用 强磁场来同时满足压缩和密度的要求。 这些磁场迫使带负电的电子和带正电的原子核在甜甜圈形状的路径上绕圈移动。 因为磁铁环绕等离子体产生了高压,增加了等离子体的密度

深呼吸,坐下来,确保你到目前为止都能跟上,因为现在我们将讨论如今聚变研究员正在研究的一些问题。

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能量甜甜圈!

氘和氚从何而来?

氘很容易找到,而且藏量丰富——它存在海洋水域里。 然而,大自然每年只生产几千克的氚,并且没有所谓的“氚工厂”。当今的核聚变实验通常是从核裂变电厂获得的。在核裂变电厂中,氚作为放射性废物而产生。 但是,如果我们停止使用裂变反应堆,我们将从哪里得到氚呢?

幸运的是,聚变反应堆有办法生成自己的氚。 理论上,我们可以重复使用那个额外的中子来用氘转制成更多的氚! 使用氘(1p1n)和锂-6(3p6n)来生产氦的完全反应

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酿造氚

使用锂-6 生产氚实际上会给系统带来更多的能量在实践中做这件事是非常困难的,并且是聚变能源研究和不确定性的活跃领域之一

我们如何能够从托卡马克中获得能量?

到目前为止都很好。我们有了氘和氚,我们可以加热它们,并让它们融为一体。 但我们如何从中获得能量呢?

记住,中子没有任何电荷。 磁场只能与 有电荷的粒子互动。 这意味着尽管磁场很强,但它不能包含聚变反应产生的快速中子。

这些快速中子既是聚变中最宝贵也最令人烦恼的部分。 宝贵是因为它们的速度正是我们获得能量的地方,令人烦恼是因为它们会破坏反应堆的墙壁。 我们如何解决这个问题呢?

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酿造毯

在上面(反复出现的)图表中,你看到有一层 在等离子体和磁力之间。 快速中子在毯子里面会放慢,其动能被传送给它加热热毯反过来用来加热水,然后去转动蒸汽涡轮机 (就像核裂变和煤厂那样)。

这在理论上是可行的,但实际上我们很难建立一个高效而有复原力的毯来抵抗快速中子带来的破坏。

我们如何改善托卡马克?

除了毯子的问题外,我们仍然没有达到Q>1。 聚变反应堆中有两个特别重要的变量,我们可以控制它们来影响聚变反应堆释放多少能量:

  1. R: 托卡马克的半径
  2. B: 磁场的强度

所以,反应堆必须多大才能达到合理的Q值? 国际热核融合实验反应堆(ITER)是有史以来规模最大的国际科学实验,旨在达到Q=10。 ITER反应堆有多大?

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国际热核融合实验反应堆

你能看到底部的那个人吗?这个东西是巨大的。

由于它的规模,国际热核融合实验反应堆花费了数百亿美元,而且需要数十年的时间构建。 记得前面的Q 图表吗?想知道它为什么停止了吗?现在你知道了!这个反应堆太大,需要太长时间才能建造。

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随着时间变化的聚变

Y轴上的数字是所谓的“聚变三重积”。 这是一个粗略的指标,显示聚变反应堆产生了多少功率,并被定义为任何聚变反应堆的三个关键属性的乘积:

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聚变三重积

国际热核融合实验反应堆是一个科学实验,而不是商业反应堆。一个商业反应堆可能需要变得更大。显然,增加半径(R)是不可能的。那增强磁场强度(B)呢?

更强的磁铁能否使反应堆变得更小和更便宜?

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国际热核融合实验反应堆 vs 方舟反应堆

要促成磁场我们需要使电流流过托卡马克上的电磁场线圈。在大部分的材料中,电流会耗尽能量,因为电阻会导致部分电量以热量形式流失。然而,有些材料 - 称作超导体 - 能让电流通过他们而不流失热量,因为它对电流没有电阻

最近针对一种名为 {REBCO(稀土钡铜氧化物) 的超导磁体的研究使磁场强度“ B”几乎翻了一倍!现在的限制因素是钢和混凝土将所有东西结合在一起的耐用性 - 在全功率下,磁铁会将反应堆撕裂

使用稀土钡铜氧化物磁体可能是我们迈向Q>1价格合理的聚变反应堆的必经之路

重要的是,国际热核聚变实验反应堆仍然使用老旧且较弱的超导磁体

结论

聚变一直是一项“未来的科技”,但我们确实在接近Q=1

私营公司和大学实验室目前正在努力将稀土钡铜氧化物磁体融入托卡马克聚变反应堆。 他们的进展将是聚变潜力的关键指标 , 但把Q值达到大于1并不是聚变研究的唯一问题

在毯技术、氚繁殖和反应堆保护方面存在许多未决问题,这是一个很大的不确定因素。 然而,在今后几十年里, 我们很可能能厘清聚变是否能够成为我们希望它将变成的清洁和丰富的能源。

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