我們可以使核聚變發揮作用嗎?一個超越偉大承諾的現實的分析

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向Mon Dec 14 2020 提供最新信息

在太陽的核心,核聚變是在強大的壓力和15,000,000°C 的溫度下發僧的。我們真的可以在地球上創造這樣的條件嗎?事實證明,我們可以!

地球寶寶正在焊接太陽

聚變反應堆的類型很多,許多公司和實驗室正在研究它們[HB11,TokamakEnergy,GeneralFusion],也有提案提議使用氚和氘以外的燃料。為了使本文相對簡短,同時又具詳細的介紹,我們將只會介紹截止2020年處於領先地位的反應堆類型:環磁機。想要探索其他類型,請參閱「開放式問題」一章!

聚變的3個瘋狂的要求

目標很明確:為了使氘和氚融合,我們需要使它們的核互相接觸,同時使用的能量要少於聚變反應產生的能量。

要求1:製造等離子體。為了使原子核互相接觸,我們首先需要使原子脫離電子,這可以通過將混合物加熱到超過100,000,000°C 來實現。由此產生的自由浮動電子和原子核形成等離子體。與固體,液體和氣體一樣,等離子體只是物質的另一種狀態:

等離子體 —物質的第四種狀態

第二步:密度:密度描述了在特定體積中所裝的粒子的數量。在聚變的情況下,我們想要將許多的氘和氚放入聚變反應堆

我們為什麼需要這個


第3步:密封性?:我們要在哪裡儲存這種極熱,高壓的等離子體?我們需要一個可以在較長時間內承受這些條件的特殊容器。近年來,我們能夠封存這種能量的時間迅速增加,從2013年的30秒 到2017年的101.2秒(仍是2020年的記錄)

聚變要求

聚變反應堆什麼時候才能足夠好呢?

聚變的研究和工程有兩個廣泛目標:

  • 科學上的成功:反應堆產生的能量超過了其運作所需的能量
  • 廉價的能源:成本足夠低,效率足夠高到足以便宜地出售能源

到目前為止,我們甚至還沒有實現第一個目標

你可能想知道為什麼聚變反應堆需要能量才能運行。猜一猜吧!


輸入能量與輸出能量比通常稱為「Q」

聚變的淨能源生產

要增加Q,我們可以做兩件事:

  • 消耗更少的能源
  • 製造更多的能源

事實證明,這兩個東西緊密相連。隨著越來越多的聚變反應(也就是說,我們產生更多的能量),等離子體自身會越來越熱,這意味著我們不需要繼續投入太多的能量來加熱它。在某些時候,它甚至可以在沒有任何外部熱量輸入的情況下繼續運作

在過去的60年中,研究人員研究了許多方法來改正它[FusionMethods,TokamakEnergyWeb,StellaratorScience,MITTalk2,GeneralFusion]。可惜的是,幾乎所有這些設計的Q值都卡在0.0001和0.000001之間。但是,其中一種類型(稱為「托卡馬克」)已經實現了Q = 0.65

讓我們看看它是如何工作的!

「托卡馬克」—聚變甜甜圈

托卡馬克:從氘變成電力

記住我們的三個問題:

  • 將等離子體加熱到大約100,000,000°C
  • 密度
  • 將等離子體限制至幾秒到幾分鐘[RoyalSocFusion,China1012]。

托卡馬克同時利用強磁場 來同時滿足空間和密度的要求。這些磁場迫使帶負電的電子和帶正電的原子核在甜甜圈形狀的內部的路徑上來回轉動。由於磁鐵圍繞等離子體,因此磁鐵會產生高壓,從而增加等離子體的密度

深呼吸,坐下來,確保你到目前為止都跟得上,因為現在我們將討論如今聚變研究人員正在研究的一些問題。

能量甜甜圈!

氘和氚來自哪裡?

氘很容易找到並且很豐富—它存在在海水中。但是,自然界每年僅產生幾公斤的氚,而且並沒有「氚工廠」 之類的東西。現在的核聚變實驗所需的氚通常是從核裂變電廠裡獲得的,在核裂變電廠中,氚會作為放射性廢物產生[TritiumIsRare,Lithium6Breeding]。但是,如果我們停止使用裂變反應堆,我們將從哪裡得到氚呢?

幸運的是,有一種方法可以讓聚變反應產生自己的氚。從理論上講,我們可以重新利用多餘的中子來從氘中製造更多的氚! 整個反應使用氘(1p1n)和鋰-6(3p6n)作為產生氦的原料

氚增殖

使用鋰-6來生產氚,實際上會為系統引入更多能量在實踐中實現這一點是非常困難的,也是聚變的一個活躍的研究領域和不確定性

我們如何從環磁機中獲取能量?

到現在為止,一切都很好,我們有氘和氚,我們可以將它們加熱並引起聚變。但是我們如何從中提取能量呢?

要記住,中子沒有電荷。磁場僅與帶電的粒子互動,這意味著,儘管磁場很強,但它也不能容納從聚變反應中產生的快速中子。

這些快速中子是聚變中最有價值,也最令人煩惱的部分。有價值的原因是它們的速度是我們獲取能量的地方,而令人煩惱的原因是它們會損壞反應堆的牆壁[Lithium6Breeding,IterBlanket],我們該如何解決這問題呢?

增殖區

在上面的(重複的)圖表中,你可以看到等離子和磁體之間的稱為毯子 的層。快速移動的中子在毯子內部減速,其動能轉化用作加熱毯子熱毯子則用來加熱水,然後用來推動蒸汽輪機(就像核裂變和燃煤電廠一樣)。

這在理論上是可行的,但在實踐中,很難建立起有效率而且有復原力的毯子,以抵抗快速移動的中子造成的損害[IterBlanket,MITTalk2] 。

我們如何使環磁機更好?

除了毯子的問題外,我們仍然還沒有達到Q> 1。在聚變反應堆中,有兩個特別重要的變量,我們可以控制它們來影響聚變反應堆中釋放出多少能量[RoyalSocFusion,MITTalk2]:

  • R:環磁機的半徑
  • B:磁場的強度

環磁機的成本會隨著半徑R增加多少?


所以,要達到合理的Q值,反應堆需要有多大? 國際熱核聚變實驗反應堆是有史以來規模最大的國際科學實驗,旨在達到Q = 10。 國際熱核聚變實驗反應堆有多大?

國際熱核聚變實驗反應堆

你能看到在底部的那個人嗎?這個東西巨大。

由於它的規模,國際熱核聚變實驗反應堆已經耗資數百億美元,並且需要數十年的時間來建造。還記得之前的Q圖嗎?想知道它為什麼停止了?現在你知道了!反應堆太大,這意味著它們需要過長時間才能建造。

隨著時間改變的聚變

此處y軸上的數字是所謂的「三核並合產物」。這是一個粗略指標,用來顯示核聚變反應堆產生多少功率,被定義為任何聚變反應堆中三個關鍵屬性產物:

融合三核一產物

國際熱核聚變實驗反應堆是一個科學實驗,而不是一個商業反應堆。商業反應堆可能需要更大的空間。顯然,增加半徑(R)是不可能的。那麼增強磁場強度(B)呢?

更強的磁鐵能否使反應堆更小,更便宜?

國際熱核聚變實驗反應堆 vs 方舟反應堆

提醒:我們使這個磁場越強,我們得到的聚變越多。為什麼[RoyalSocFusion,MITTalk2]?


要促使磁場,我們需要使電流流過托卡馬克上的電磁場線圈。在大多數材料中,電流會消耗能量,因為一些電力會因為電阻而以熱量的形式損失。但是,有一些材料—被稱為超導體—可以使電流在不會產生熱量損失的情況下通過,因為電流沒有阻力

最近對一種名為REBCO(稀土鋇銅氧化物)的超導磁體的研究已經使磁場強度「B」幾乎翻了一倍!現在的限制因素是用來將所有東西固定在一起的鋼和混凝土的耐用性—在全功率下,磁鐵會將反應堆分開

使用稀土鋇銅氧化物磁體很可能是邁向價格合理的Q> 1的聚變反應堆的道路上必不可少的步驟

重要的是,國際熱核聚變實驗反應堆仍使用舊的和較弱的超導體

結論

聚變一直是一種「未來的技術」,但我們的確正在邁向Q = 1

私人公司和大學實驗室現在正在努力將稀土鋇銅氧化物磁體整合到托卡馬克聚變反應堆中[CFSE,TKMKEn]。他們的進展將是聚變潛力的一個關鍵指標[MITEnInNuc,MITTalk2],但是達到Q大於1並不是聚變研究中唯一的問題

毯子技術,氚的增殖和反應堆保護中存在許多未解決的問題[Lithium6Breeding,IterBlanket,MITTalk2],這是一個不確定性的主要來源。儘管如此,在未來的幾十年中,我們很可能能夠發現聚變是否可以成為我們所希望的清潔和豐富的能源。

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