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目前核聚变为什么没成功?​实现核聚变异常困

        发布时间:2019-11-06 10:32        编辑:北极电力网

核聚变简史

 

1920

 

英国天文学家亚瑟·爱丁顿(Arthur Eddington)的《恒星内部构造》认为,包括太阳在内的恒星是由氢的核聚变提供动力的。

 

在天文学和物理学领域,亚瑟·爱丁顿爵士享有世界声誉。他出生在肯德尔,自1913年起一直是剑桥大学的普卢米安天文学教授。

 

1938

 

核物理学家汉斯·贝特(Hans Bethe)描述了核聚变反应,这些聚变反应产生的能量是由恒星发出,为此,他后来获得了诺贝尔奖。

 

1951

 

胡安·佩隆(Juan Perón)和科学家罗纳德·里希特(Ronald Richte)宣布,阿根廷已经发展了核聚变能。

 

1952

 

第一次氢弹试验代号为艾薇·迈克(Ivy Mike),使用裂变爆炸来点燃氘燃料中的聚变反应。

 

10兆吨的爆炸在埃尼威托克环礁上留下一个巨大的火山口。

 

1958

 

ZETA令人既兴奋又失望,因为英国研究人员宣布他们可能制造出来了受控的核聚变反应,但后来该消息遭“撤回”。

 

1969

 

英国将激光设备带到苏联测量T-3托卡马克的温度,确认了1000万摄氏度的等离子体。

 

1982

 

托卡马克核聚变试验反应堆(简称TFTR)在普林斯顿等离子体物理实验室启动。它创下了5.1亿摄氏度的等离子体温度纪录。

 

1985

 

苏联在米哈伊尔·戈尔巴乔夫和罗纳德·里根的日内瓦峰会上提出了在核聚变方面的国际合作,这导致了国际热核聚变实验堆(ITER)的启动。

 

1989

 

化学家马丁·弗莱什曼(Martin Fleischmann)和斯坦利·庞斯(Stanley Pons)的冷聚变实验无法复制。

 

1997

 

欧共体联合聚变中心(简称JET)创下了核聚变输出为16.1兆瓦的记录,相当于输入能量的大约67%,Q值为0.67。

 

2019

 

在法国南部,国际核聚变示范项目ITER的建设已完成60%。开启后,预计ITER产生的能量是其消耗能量的10倍,Q值为10。

目前核聚变为什么没成功?​实现核聚变异常困难

来源:ITER

 

美国、英国的研究

 

在普林斯顿,美国政府一项旨在研究氢弹的绝密项目开始研究核聚变技术。1951年,那里的科学家开始开发一种称为“恒星发生器”的装置,该装置将利用磁场来限制过热的等离子体。这项工作代号为马特霍恩计划(Project Matterhorn)最终被解密。

 

在英国,一台名为Zeta的机器,通过流过大电流来“约束”聚变燃料,导致在1958年又一次提前宣布了核聚变时代的到来。事实证明,燃料的异常不稳定性导致研究人员误认为他们看到了核聚变的证据。

 

《阿根廷新闻》还简短报道了一项不同政见者、诺贝尔和平奖获得者、苏联物理学家安德烈·萨哈罗夫(Andrei Sakharov)提出的构想:用一种叫做托卡马克的装置将核聚变燃料限制在环形结构中。

 

自20世纪60年代世界各地的政府实验室和大学开始认真建造托卡马克以来,已经建造了200多台工作机器。核聚变领域取得进展的一个关键标志是所谓的三重积图,这是衡量反应堆性能的指标。根据时间线绘制出系统的温度,密度和绝缘程度,看上去很像摩尔定律,其著名的计算能力每两年翻一番。但是核聚变的发展更快。“托卡马克已经击败了摩尔定律。”从麻省理工学院独立出来的联邦核聚变系统公司的首席执行官鲍勃·穆加德(Bob Mumgaard)说。

 

那么,核聚变系统有多热呢?想想太阳。我们的局部恒星有很多超大的引力可以应用在核聚变过程。它的内部产生的压力相当于33.3万个地球的质量和1500万摄氏度(2700万华氏度)的温度。这就是核聚变发生的熔炉。

目前核聚变为什么没成功?​实现核聚变异常困难

在地球上,由于重力要小得多,你需要更高的温度:例如1亿摄氏度。加州Foothill的TAE科技公司的首席执行官Michl Binderbauer说,要达到这个目标,第一步就是加热气体并将其转化为等离子体。“这是通过增加更多的能量来实现的,所以在某个时刻,组成原子的离子和电子会分解成一团电荷”他说,“事实上,宇宙的大部分都处于我们称之为等离子体的状态。”

 

等离子体

 

宇宙中几乎所有可见的物质都是等离子体。宾德尔鲍尔(Binderbauer)解释说:“我们可能生活在宇宙中为数不多的星点之一中,除了闪电或其他东西外,我们周围的环境中没有等离子体。”

 

更重要的是,在20世纪50年代,等离子体中的不稳定性和其他“怪异行为”使核聚变比预期的要困难得多时,穆加德说,这促使了一门完整的学科(等离子体物理学)的发展。反过来,这一领域在医学和半导体制造方面也做出了贡献。

 

现在,将等离子体加热到1亿摄氏度听起来令人畏惧和恐惧。它碰到任何东西就会蒸发掉吗?简言之:不会。宾德尔鲍尔(Binderbauer)说,等离子体是真空室中的一小部分粒子。它的密度比空气的密度小几百万倍,它的状态极其脆弱,如果碰到任何东西,它就会立即冷却下来。

 

宾德尔鲍尔(Binderbauer)说,TAE的诺曼机器将等离子加热到3500万度。假设他能把手伸进真空壳体中,那么等离子体将不会烧伤他。“我的手臂将吸收所有的能量,”他说。“我甚至不会变得很暖和。”与核裂变不同的是,核聚变没有核心熔毁的危险。他说,“你必须保护等离子体不受周围环境的影响,而不是相反。”

 

位于温哥华附近的不列颠哥伦比亚省伯纳比的General Fusion公司首席执行官克里斯托弗.莫里(Christofer Mowry)说,与太阳能、风能和其他间歇性可再生能源相比,核聚变还有一个重要的好处:它是“可调度”的能源。在大多数核聚变的预期应用中,反应过程中产生的能量将加热水并运行传统的蒸汽涡轮发电机。莫里说,工厂可以安全方便地坐落在城市和其他需要能源的地方。

 

目前核聚变为什么没成功?实现核聚变异常困难

 

核聚变的一个明显的不利因素,反映在核领域70年的历史上,使即将取得突破的希望破灭了:实现核聚变异常困难。

 

1983年,已故的劳伦斯·利茨基(Lawrence Lidsky)是当时麻省理工学院等离子核聚变中心的副主任,他撰写了一篇题为“核聚变的困难”的文章,他写道:

 

“核聚变是一个对科学家和工程师来说都是好问题的教科书式范例。许多人认为这是有史以来最难解决的科学和技术问题,但它仍然屈服于我们的努力。”

 

尽管如此,利茨基列出了一系列问题,他认为,这些问题使得核聚变不太可能成为经济上可行的能源来源。

 

30多年后,利茨基发现的问题依然存在。其中最主要的是放射性。可以肯定的是,核聚变中使用的燃料并不像裂变中的铀和核废料那么危险。要了解核聚变的放射性挑战,就需要对科学进行更深入的研究。

 

首先,各种不同的轻元素可以在聚变反应中结合。然而,最容易熔合的燃料是氢的两种同位素的50-50组合:氘和氚。所谓的D-T一直是该领域的重点。氘是重氢,是在海水中发现的物质。它的原子核由一个质子和一个中子组成(与普通氢的单独质子相反)。氚是重的,重氢:一个带有两个中子的质子。它具有放射性,半衰期约为12年。它也非常稀有和昂贵,但会在核聚变反应堆中繁殖。

 

当氘和氚原子核融合时,能量以α粒子(氦原子核,是两个质子和两个中子)和一个高能中子的形式释放。这些中子是中性的,不受维持等离子体的磁场的限制。它们撞向所面对的任何物质,例如在托卡马克中,这被称为第一壁。撞击会传递热量,也会将墙壁材料中的原子击出原位,损坏墙壁,使其具有放射性。

 

General Fusion的等离子注射器。这种机器被设计成将核聚变燃料射入液态金属的漩涡中,在那里它会被活塞压缩并点燃。

目前核聚变为什么没成功?​实现核聚变异常困难

摄影:IanAllen,彭博市场

 

普林斯顿等离子体物理实验室的退休研究员丹尼尔·贾斯比(Daniel Jassby)说,燃烧D-T不断产生的中子将产生大量放射性废物。他说,由于安装新组件的费用以及在停机时间系统无法消耗电力,更换受损的第一道墙结构将增加成本。更重要的是,他说,机器的大小意味着核聚变反应堆产生的废物可能是传统裂变反应堆的10倍。虽然核辐射水平可能没有废铀燃料棒那么高,但这仅仅意味着核聚变系统的副产物对一个世纪而不是几千年内是危险的。

 

核聚变的商业化

 

贾斯比(Jassby)说,核聚变反应堆的实际运行成本可能不足以支付其成本,更不用说与现有电厂竞争了。“为什么有人想要这个?”

 

然而,某种乌托邦理想主义的压力始终贯穿于核聚变的努力之中。这或许正是促使美国总统罗纳德·里根(Ronald Reagan)和苏联总统米哈伊尔·戈尔巴乔夫(Mikhail Gorbachev)于1985年达成协议,合作建设核聚变能源项目的原因。现在被称为ITER,这个拖延已久的35个国家的大型合作项目在法国南部正在建设中,目前已完成约60%。

 

当ITER计划在2025年实现其首个等离子体时,它有望达到一个核聚变的里程碑:它将产生比其消耗更多的能量。General Fusion公司的莫瑞(Mowry)说:“在这个领域,没有一个知识渊博的人不相信当他们启动ITER时就会产生净能量。”ITER预计将产生500兆瓦的电能,同时消耗50兆瓦的电能。按照该领域的说法,它的Q>1。具体来说,由于预计产生的能量是输入能量的10倍,因此Q=10。

 

在等离子体物理学界,毫无疑问,核聚变是可行的。莫瑞(Mowry)说,现在这些初创公司的目标是建立一个运转良好且盈利丰厚的核聚变发电厂,“私人核聚变企业不会在基础等离子体物理学和核聚变科学方面开展工作。他们坐在半个世纪来之不易的知识之上,都是为了商业化。”

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