如何掌握太阳之力?

2023-12-12 16:05  来源:中科院物理所    核聚变

事实上,核聚变与裂变恰恰相反;核聚变不是将铀等重元素分裂成更轻的原子,而是通过将氢等轻元素的各种同位素合并成更重的原子来产生能量。


近一个世纪以来,天文学家和物理学家已经认识到了一种被称为热核聚变的过程。这一过程伴随了太阳和恒星数百万年甚至数十亿年。自从这一发现以来,他们就梦想着把这种能源带到地球上,用它来为现代世界提供动力。

在气候变化日益加剧的今天,这个梦想只会变得更加引人注目。利用热核聚变并将其输送到世界电网中,可以使我们所有排放二氧化碳的燃煤和燃气发电厂成为遥远的回忆。核聚变发电厂可以不分昼夜源源不断地提供零碳电力,不必担心风或天气的影响,而且没有如今核裂变发电厂的缺点,例如潜在的灾难性熔毁风险和带来的必须隔离数千个世纪的放射性废物。

事实上,核聚变与裂变恰恰相反;核聚变不是将铀等重元素分裂成更轻的原子,而是通过将氢等轻元素的各种同位素合并成更重的原子来产生能量。

为了使这一遐想成为现实,核聚变科学家必须在地面上点燃核聚变——这也就意味着科学家不具备像太阳中心那样的高重力场的条件。在地球上做这件事意味着将这些轻同位素放入反应堆中,并找到一种方法将它加热到数亿摄氏度——将它们变成类似于闪电内部的电离“等离子体”,只是温度更高,更难控制。这意味着要找到一种控制闪电的方法,通常是用某种磁场来抓住等离子体,并在等离子体像生物一样扭动、扭曲并试图逃跑的时候紧紧抓住它。

退一步讲,这两个挑战都是令人生畏。事实上,直到2022年底,在加州进行的一项耗资数十亿美元的聚变实验才最终获得了一个微小的同位素样本,该样本释放的热能比点燃它的能量要多。而这个只持续了大约十分之一纳秒的事件,必须由192台世界上最强大的激光器的联合输出来触发。

这种核聚变方法从一个充满氕-氚燃料的微小固体靶开始,该靶受到来自四面八方的强烈能量脉冲的撞击。这可以通过用一个小金属圆柱体包围目标来间接完成(左)。激光照射圆柱内部,产生能够加热燃料球团的x射线。激光束也可以直接加热目标(右图)。无论哪种方式,燃料颗粒都会发生内爆,由此释放的能量会迅速将目标炸开。这种间接方式被用于一项称为"break even"的核聚变实验,实验所产生的能量超过了激光输送的能量。但是,这种核聚变方法要成为一种实用的发电方法,可能需要几十年的时间。

在当下,伴随着越来越多的技术发明的实现,人类也愈发接近可控核聚变的实现。诸如高温超导之类的新技术有望使聚变反应堆比以前看起来更小、更简单、更便宜、更高效。更好的是,几十年来缓慢而持续的进展似乎已经超过了一个临界点,核聚变研究人员现在有足够的经验来设计等离子体实验,这些实验几乎与预测一样。

南加州TAE技术公司的CEO米歇尔•宾德鲍尔说:“人类即将迎来一个能够发展出足够技术实现可控核聚变的未来。”

事实上,自1998年TAE成为第一家商业核聚变公司以来,已有40多家商业核聚变公司成立——其中大多数是在过去的五年中成立的。其中,许多公司的核聚变装置有望在未来十年内投入运作。“虽然,我们已经极尽所能来实现我们的目标,”核聚变工业协会的首席执行官安德鲁•霍兰德说,该协会是他于2018年在华盛顿特区成立的一个倡导组织。“但我认为这还远远不够,我们还在不断寻求越来越多的公司带着不同的想法加入到我们的行业中来。”

核聚变领域的发展一直是资本的关注重点,致力于可控核聚变技术的初创公司已经募集到了大约60亿美元的资金,并还在持续。“可控核聚变的新技术和资本的结合形成了一种协同效应。”乔纳森•梅纳德,新泽西州能源部普林斯顿等离子体物理实验室的研究主管表示。

当然,我们有充分的理由保持谨慎——首先事实上,到目前为止,这些公司都没有证明它可以,甚至是短暂产生出净聚变能源,更不用说在十年内实现可控核聚变的商业化运营。梅纳德说:“许多公司甚至承诺会在一段有限的时间内完成我们认为基本不太可能实现的目标。”不过,他补充道:“我们很乐意被证明是错的。”

目前有40多家公司正在尝试可控核聚变技术,我们很快就会知道到底哪家企业会脱颖而出。与此同时,为了让大家对实现可控核聚技术这一目标有大致的概念,我们将罗列出目前实现可控核聚变所面临的挑战,以及目前为了解决这些问题,这些企业所提出来的最优设计。

聚变的先决条件

实现可控核聚变的第一个挑战是点火,可以这么说:核聚变装置必须要使各类核燃料,即多种混合同位素,相互混合,并使原子核接触、聚变并释放出能量。

这意味着字面上的“接触”:核聚变是一项接触运动,直到原子核正面相撞,反应才会开始。让这个问题变得棘手的是,每个原子核都含有带正电荷的质子,而正电荷相互排斥。所以克服排斥力的唯一方法是让原子核快速运动,使它们在发生偏转之前发生碰撞和聚变。

因此,发生核聚变过程至少需要1亿摄氏度的等离子体温度,而这只是氢的两种重同位素氘和氚的燃料混合物的温度。其他同位素的混合物会变得更热——这就是为什么“氘-氚混合燃料物”(D-T)仍然是大多数反应堆设计中选择的燃料。

在聚变反应堆中,轻同位素聚变形成重同位素,并在此过程中释放能量。这里展示的是四个反应堆燃料的例子。第一种是D-T,它结合了两种重氢(氘和氚)。这种混合是最常见的,因为它在最低温度下开始聚变,但氚是放射性的,产生的中子会使反应堆具有放射性。两个氘核(D-D)之间的反应进行得较慢,需要较高的温度。使用氘-氦-3的混合物也不太常见,部分原因是氦-3稀有又昂贵。也许最引人注目的是质子和硼-11 (P-11B)的混合物。这两种同位素都是非放射性和丰富的,然而它们的聚变产物是稳定的,易于捕获用于能量提取。这个方法的挑战将会是使混合物达到超过10亿摄氏度的聚变温度。

但无论核聚变所采用的燃料是什么,达到核聚变温度的光剑在于外界环境输入的能量与等离子体离子之间的竞赛: 研究人员试图用微波或中性原子的高能束等外部源输入能量,而等离子体离子则试图以和接收能量般的速度快速地将能量辐射出去。

最终的目标是让等离子体超过“点火”的温度,在这个温度下,核聚变反应将开始产生足够的内部能量来弥补辐射掉的能量,此外还可以为一两个城市供电。但这就引出了第二个挑战:一旦火被点燃,任何应用的反应堆都必须保持这个过程持续发生——也就是说,把这些过热的原子核限制在足够近的地方,使它们能够在足够长的时间内保持合理的碰撞速率,以产生有用的能量流。

在大多数反应堆中,这意味着要把等离子体保护在一个密闭的室内,因为散失的空气分子会使等离子体冷却,使反应熄灭。但这也意味着要让等离子体远离腔壁,腔壁比等离子体冷得多,即使最轻微的接触也会破坏反应。问题是,如果你试图用非物理屏障(比如强磁场)使等离子体远离壁,离子的流动将很快被等离子体内部的电流和磁场扭曲,变得无用。除非,你已经非常严谨地设计过装置中场的分布——这也是不同核聚变方案之间最显著的差异。

最后,实用的反应堆必须包括一些提取聚变能并将其转化为稳定电能的方法。尽管对于这最后一项挑战,工程师们从来都不乏创意,但是这个过程的关键取决于反应堆使用的燃料混合物。

以氘-氚燃料为例,该反应产生的大部分能量是以一种名为中子的高速粒子的形式产生的,这种粒子不受磁场的限制,因为它们不带电荷。由于不带电荷,中子不仅可以穿过磁场,还可以穿过反应堆壁。因此,等离子体室必须被一层“毯子”包围: 一层由铅或钢等重材料组成的厚层,可以吸收中子并将其能量转化为热量。然后,热量可以传递给锅炉机组,并通过传统发电厂使用的相同类型的蒸汽涡轮机发电。

核聚变发电厂可以使用几种不同的反应堆类型中的一种,但它将与化石燃料发电厂或核裂变反应堆的方式一样将聚变能转化为电能的方式: 来自能源的热量将水烧开以产生蒸汽,蒸汽将流过蒸汽涡轮机,涡轮机将转动发电机将电力输送到电网中。

许多DT反应堆的设计还要求在包层材料中加入一些锂,这样中子就会与锂元素反应,产生新的氚核。这一步至关重要: 因为每次DT聚变都会消耗一个氚核,而且这种同位素具有放射性,在自然界中不存在,如果不向反应堆补充燃料,反应堆很快就会耗尽燃料。

DT燃料的复杂性足以让一些更大胆的聚变初创公司选择另一些能产生更好效果的燃料混合物。例如,宾德鲍尔的TAE公司的目标是发展出一种终极聚变燃料:质子和硼-11的混合物。这两种成分不仅稳定、无毒、丰富,而且它们唯一的反应产物是三个带正电的氦-4原子核,它们的能量很容易被磁场捕获,不需要毯子式包裹。

但是替代燃料面临着不同的挑战,比如TAE必须将质子-硼-11混合物的聚变温度提高到至少10亿摄氏度,大约是DT阈值的10倍。

托卡马克装置

点燃等离子体、维持核聚变反应和提取能量——这三个挑战的基本原理从核聚变发展的早期就被研究清楚了。到了20世纪50年代,专注于核聚变装置的研究人员已经开始提出许多解决这些问题的方案——但是大部分方案,在1968年苏联物理学家公布了一类名为托卡马克的设计后,被搁置了。

像早期的几个反应堆概念一样,托卡马克的特点是等离子体室有点像一个空心的甜甜圈——这种形状允许离子无休止地循环而不会撞到任何东西——并通过环绕在环流外面的载流线圈产生的磁场来控制等离子体离子。

但托卡马克也有一组新的线圈,可以使电流在等离子体中绕着约束环旋转,就像一个圆形的闪电。这种电流使磁场发生了一定的旋转,对稳定等离子体起到了重要的作用。虽然第一台托卡马克仍然无法达到动力反应堆所需的温度和约束时间,但比先前的设计都要好得多。因此再次之后,研究人员几乎全部转而发展托卡马克。

托卡马克反应堆(左)和与之相关的仿星器反应堆(右)都用电磁线圈(蓝色和红色)产生的磁场(紫色)来限制超热等离子体(黄色)。对于最常见的反应堆托卡马克来说,这些线圈也会启动电流流过等离子体,这有助于保持反应的稳定。仿星器的设计同样将等离子体限制在一个密封的环形腔体内,但通过使用一组更复杂的外部线圈(蓝色)来控制等离子体,从而消除了对环形腔体中循环电流的需求。

从那时起,全世界已经建造了200多个不同设计的托卡马克,物理学家们对托卡马克等离子体有了更深入的了解,他们可以自信地预测未来机器的性能。正是由于这种信心,一个由多个私募基金联合设立的金融组织愿意投入200多亿美元来建造ITER(拉丁语意为“道路”): 将托卡马克放大到10层楼那么大。ITER从2010年开始在法国南部建设,预计将在2035年开始使用氘-氚燃料进行实验。物理学家非常肯定,当它实现时,ITER将能够每次保持和研究燃烧的聚变等离子体数分钟,提供一个独特的数据宝库,有望在电力反应堆的建设中发挥作用。

ITER不仅是一座实验型核聚变发电,也是一台比常规核电站具有更多仪器和功能的实验装置——ITER巨大的成本促使两家专注核聚变商业化的初创公司正在竞相开发更小、更简单、更便宜的托卡马克反应堆。

首先脱颖而出的是托卡马克能源公司,一家成立于2009年的英国公司。多年来,该公司已经获得了约2.5亿美元的风险投资,用于开发基于“球形托卡马克”的反应堆——一种特别袖珍的变型,看起来更像一个带核的苹果,而不是甜甜圈。

但马萨诸塞州的联邦聚变系统(Commonwealth Fusion Systems)发展很快,这是麻省理工学院的一个分支机构,直到2018年才推出。虽然联邦公司的托卡马克设计使用了更传统的环形结构,但通过麻省理工学院广泛的筹款网络,该公司已经获得了近20亿美元的资金。

这两家公司都是最早使用高温超导体(HTS)电缆产生磁场的公司。这些材料早在20世纪80年代就被发现,但直到最近才以电缆的形式出现,即使在相对高温的77开尔文(-196摄氏度)下也能无电阻地传输电流,这个温度足以用液氮或液氦来实现。这使得高温超导电缆比ITER使用的电缆更容易冷却,也更便宜。

但更重要的是,与低温电缆相比,高温超导电缆可以在更小的空间内产生更强的磁场,这意味着两家公司都能够将他们的发电厂设计缩小到ITER的一小部分。

尽管托卡马克一直占据主导地位,但如今大多数核聚变初创公司都没有使用这种设计。他们正在复兴比托卡马克工作起来更小、更简单、更便宜的旧替代。

等离子体漩涡

这些复兴设计的主要例子是基于被称为场反转结构(FRC)的烟环状等离子体漩涡的聚变反应堆。FRC漩涡就像一根胖胖的空心雪茄,绕着它的轴像陀螺一样旋转,它用自己内部的电流和磁场把自己固定在一起——这就意味着FRC反应堆不需要让它的离子在环形等离子体室里不停地循环。至少理论上,涡流会安稳地呆在一个直的圆柱形腔内,只需要一个轻触的外部场来保持它的稳定。这意味着基于FRC的反应堆可以抛弃大部分昂贵、耗电的外部磁场线圈,使其比托卡马克或几乎任何其他东西都更小、更简单、更便宜。

这里展示的是一个线性反应堆的概念,它基于一个特别稳定的等离子体漩涡,它与自己的内部电流和磁场结合在一起。它被称为场反转结构(FRC),是由等离子枪从反应室的两端发射的两个更简单的漩涡合并而成的。从侧面进入的新鲜燃料束使FRC保持高温并快速旋转。

不幸的是,从实践看来,早在20世纪60年代对FRC的第一次实验就发现,它们似乎总是在几百微秒内就会失去控制,这就是为什么这种方法在托卡马克盛行的时代大多被搁置在一边。

然而,FRC反应堆的简单性一直具有吸引力。事实上,FRC装置能够在等离子体达到极端高温下保持稳定——这就是为什么TAE在1998年选择了FRC作为核聚变装置,当时该公司开始寻求利用在10亿度发生的质子-硼-11聚变反应。

宾德鲍尔和他的TAE联合创始人、已故物理学家诺曼·罗斯托克(Norman Rostoker)提出了一个可以无限期地稳定和维持FRC涡旋的方案: 只要沿着涡旋的外缘发射新鲜燃料束,就能保持等离子体的高温和高自旋速率。

直到2010年代中期,TAE团队已经证明,只要粒子束注入器有能量,从侧面进入的粒子束确实会保持FRC旋转和稳定。而这些能够可以从燃烧的质子-硼-11的反应堆中提取得到。到2022年,他们已经证明了他们的FRCs可以在7000万摄氏度以上保持这种稳定性。

下一台场反转结构反应堆——30米长的哥白尼号,计划于2025年完工的。TAE希望实际达到1亿度以上的燃烧条件。这一反应堆能够为TAE团队设计更高温度的核聚变反应堆设计提供必要的数据。

等离子体容器

与此同时,加拿大温哥华的通用核聚变公司正与英国原子能管理局合作,建造一座基于一个可能是最新颖的原理——磁化定向核聚变装置——的示范反应堆。这个20世纪70年代的概念相当于向一个金属罐子发射等离子体涡流,然后把罐子压碎。如果速度足够快,捕获的等离子体将被压缩并加热到聚变条件。保持这样做,一个或多或少连续的核聚变能量脉冲串就会回来,你就会拥有一个动力反应堆。

在通用聚变公司目前的概念中,金属罐将被熔化的铅锂混合物所取代,这种混合物通过离心力在以400转/分的速度旋转的圆柱形容器的两侧保持。在每个反应堆循环开始时,一个向下指向的等离子体枪将注入电离氘-氚燃料的漩涡——“磁化靶”——这将短暂地把旋转的金属内衬容器变成一个微型球形托卡马克。接着,排列在容器外部的压缩空气活塞将推动铅锂混合物进入涡流,在大约5毫秒内将其从直径3米压缩到30厘米,并将氘-氚提高到聚变温度。

磁化靶聚变是20世纪70年代的一种方法,相当于向金属罐发射等离子体涡流,然后压缩罐子。这里展示的是一个现代版本,在这个版本中,金属罐被熔融的铅锂混合物取代,这种混合物在离心力的作用下被固定在旋转容器的两侧。等离子枪将氘-氚等离子体的涡流送入容器中空的内部,而排列在容器外部的活塞将铅-锂混合物推向内部,粉碎等离子体并引发聚变。冲击波把熔融的铅锂混合物推了出来,重新启动了系统。

由此产生的冲击波将冲击熔融的铅锂混合物,将其推回到旋转的圆柱体壁上,并重新设置系统以进行下一个循环——大约一秒钟后开始。与此同时,在一个更慢的时间尺度上,泵将稳定地将熔融金属循环到外部,以便于热交换器可以收集它吸收的聚变能量,而其他系统可以清除中子-锂相互作用产生的氚。

所有这些活动部件都需要一些复杂的编排设计,但只要一切都按照模拟所显示的方式进行,该公司希望在21世纪30年代建造一座全面的氘-氚燃烧发电厂。

没有人知道这里提到的特殊反应堆概念何时(或者是否)会成为真正的商业发电厂,或者是否第一个进入市场的反应堆将是其他40多家核聚变公司正在开发的众多替代反应堆设计之一。

但是,这些公司中很少有人认为对核聚变能源的探索是一场竞技或零和博弈。他们中的许多人形容他们的竞争激烈,但基本上是友好的——主要是因为,在一个迫切需要任何形式的无碳能源的世界里,发展多种类型的聚变反应堆具有广阔的商业前景。

“我会说我的想法比他们的好。但如果你问他们,他们可能会告诉你他们的想法比我的好,”通用聚变公司的创始人兼首席科学家、物理学家米歇尔·拉伯格(Michel Laberge)说。“他们中的大多数人都是认真的研究人员,他们的计划没有根本性的缺陷。”他说,因为有了更多的可能性,所以核聚变的实际成功的几率就会提高。“我们在这个星球上确实需要核聚变,非常需要。”

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