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解决人类能源的最佳设计方案:激光内聚氘氚聚变发电(重发)

已有 1094 次阅读 2018-3-19 09:56 |个人分类:物理|系统分类:论文交流|文章来源:转载

 

解决人类能源的最佳设计方案:激光内聚氘氚聚变发电(重发)

希望有关领导,尽快组织有关力量、及早具体设计、实现。

 

一.取不尽、用不竭、不污染环境,的能源:氘氚聚变发电

    能源是给人类生产和生活提供能力和动力的物质资源,是国民经济的重要物质基础,对能源的掌控,决定国家命运、人民生活水平。

 

    能源有多种,但是,无论是大自然(太阳、水力、气流),释放产生,或通过生物(细菌、植物、动物)转化,人类直接利用的,或人类利用大自然的物资创造的,都是如下2类:

    化学反应产生的能量:各原子、分子外层电子组成的化学键变化引起的能级变化所释放的能量。

    核子反应产生的能量:各基本粒子反映所释放的能量。

 

实际上,化学能源主要或基本是碳及其化合物,煤炭、石油、天然气,的化学反应产生的能量。

其很大问题是,造成环境,特别是空气,的污染。

更严重的是资源有限,按目前世界的消耗量和已知储量估计,石油、天然气仅够使用约1个世纪,煤炭也仅仅够使用约2到3个世纪。

而核能的新发展将使核燃料循环而具有增殖的性质。

核能是未来能源系统的支柱之一。

核聚变的能比核裂变的能可高出 5~10倍。

 

    当然,核能有α、β、γ,3种射线的放射性污染,α射线(粒子)实际是氦(He)核流,它质量大、电离能力强和高速的旋转运行,是造成对人体内照射危害的主要射线;β射线是负电荷电子流,电离最强,穿透性最弱;γ射线是短波长的光子流,它的穿透力很强,所以是造成人体外照射伤害的主要射线。

    但是,它们都只存在于产生物和废料中,只要在生产使用时防护好,并处理好废料,就不致造成环境污染。

 

E=mC^2实际是:粒子动能的增加=粒子结合能的减少=静止质量乘光速的平方。

   按此,计算反应前后,静止质量乘光速的平方改变率最大的能量释放率(包括辐射光子的能量)最高的,是:氘氘、氘氚。

   氘又大量存在于海水中。海水中大约每6500个氢原子中就有一个氘原子,海水中氘的总量约45万亿吨。

每升海水中所含的氘完全聚变所释放的聚变能相当于300升汽油燃料的能量。按世界消耗的能量计算,海水中氘的聚变能可用几百亿年。

氚可以由锂制造。锂主要有锂-6和锂-7两种同位素。锂-6吸收一个热中子后,可以变成氚并放出能量。锂-7要吸收快中子才能变成氚。地球上锂的储量虽比氘少得多,但也有两千多亿吨。用它来制造氚,用于氘氚核聚变 足够用到使用氘、氘聚变同样的年代。

因此,氘、氚核聚变能是能量释放率高、燃料便宜,且“取之不尽、用之不竭”的新能源。

 

二.产生核聚变,特别是受控核聚变,的条件

    核聚变必须在极高密度、温度下,才能以有效截面、高速碰撞,高效地聚变反应融合。

 

太阳发射的各种粒子,光和热就是氢核聚变反应产生的,其在巨大引力产生巨大压力的高密度下,中心温度达到1500万摄氏度,而能使核聚变正常反应,地球上没有那么巨大的引力,为能保持有效反应就只能设法将反应物约束于高密度并提高温度来弥补,温度就要到上亿摄氏度才行,而氘、氚核聚变所需的温度可比氢核聚变低得多也要达近亿摄氏度。

 

    现有约束方法有如下3种:

1.核裂变爆炸内爆约束

由化学炸药内爆使核裂变材料维持超临界质量,有效核裂变反应,用以内爆约束核聚变材料,使其在高密度、高温度下,有效核聚变反应。

这就是早已实现了的氢弹的原理,但不能用于产生非爆炸能源,而必须解决受控的核聚变方法。

 

2.电磁场内聚约束(受控核聚变的一例)

    20世纪50年代位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人发明的托卡马克(Tokamak, 即:环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)),其中央是一个环形的真空室,外面缠绕着线圈,通电时真空室内产生巨大的螺旋型磁场,把其中的核聚变材料约束成高密度、高温度的等离子体,以达到有效的核聚变。

现在许多国家都有这种核聚变实验装置。

中国科学院等离子体物理研究所研制的东方超环(EAST)超导托卡马克装置就是这样的一种实验设备。

等离子体长时间稳定运行是实现控制核聚变的前提条件。

为此,出现一系列须解决的关键技术问题。

EAST以65项关键技术和新技术,形成了一系列技术生长点,创造了多个国内乃至国际第一。例如:

为了满足EAST工程所需的总长度达35公里的大电流导体,等离子体所自主生产了铠装电缆超导导体(CICC)。

CICC是全超导托卡马克的最重要的核心部件,它不但使中国的CICC制造技术处在世界先进行列,产量达世界第一,同时创造性地发展了无焊瘤管—管对接焊技术、薄壁焊缝超声波检测技术等一整套大型超导磁体制造工艺,全面提升了我国大型超导磁体设计、制造和综合实验测试能力。

相关的设计理念和工艺技术创新还包括大型超导磁体的设计和制造、大规模超低温制冷技术、任意可控的急剧变化大电流设备技术等,这些都属国内首创并达到国际先进水平。

 

目前世界各实验装置稳定运行的时间还都很短,短的只有几秒钟,EAST装置由于采用了先进的非圆切面和全超导技术,稳定运行的时间是最长的,也只有四分多钟。

EAST计划新的装置,设计稳定运行的时间为1000秒(可达十六分多钟),是迄今为止,预计为世界稳定运行时间最长的受控核聚变实验装置。

    当然,距稳定发电的能源设备还很远。

 

3.激光束内聚约束(受控核聚变的一例)

从 60年代激光器问世以后, 我国的核物理科学家王淦昌和前苏联的巴索大院士分别独立的提出用强激光器内聚约束来引发核聚变反应的设想。

此后, 世界上研究核聚变的国家争相开展了 用强激光引发的核聚变, 称之为激光惯性约束核聚变(ICF)。

中、俄、美、法、日,都设置了相应的激光束内聚约束核聚变研究装置。

1974年,我国采用一路激光驱动聚氘乙烯靶发生核反应,并观察到氘氘反应产生的中子。

著名理论物理学家于敏院士在20世纪70年代中期就提出了X激光入射重金属外壳腔内的核聚变材料实现激光核聚变的概念。

    1986年,我国激光核聚变实验装置“神光”研制成功。

1986年和1990年,在该装置上先后进行了直接驱动和间接驱动热核聚变实验,它标志着中国在该领域已进入世界先进行列。

 

2014年2月12日发表在《自然》周刊网站报告了在美国加利福尼亚州利弗莫尔国家点燃实验设施进行的两次实验的结果:

该实验是将192个激光束500万亿瓦功率的激光脉冲射入一个直径为半英寸(约12.5毫米)的金圆筒内的有关含有氘、氚混合物燃料的小球。激光以将一个篮球压到豌豆大小的力,挤压这个小球,压缩到起初尺寸的数百分之一大,实验氘、氚混合物燃料释放的能量确实比从激光吸收的多,但燃料只用到所用激光全部能量的约1%。

但达到极高的压力(1000亿大气压)和温度(超过1亿度)时间很短(脉冲只持续了230亿分之一秒),反应发生在还不及一根头发丝宽度的空间里。

    目前,受控条件下,稳定运行的时间还都很短,核聚变的能量甚至都还远未达到所用激光的能量。

 

三.分析受控核聚变稳定运行时间短释放能量受限的原因

从东方超环(EAST)超导托卡马克装置,和美国加利福尼亚州利弗莫尔国家点燃实验设施的情况,分析,可见:

托卡马克和激光束内聚约束,实际上,都已能实现受控核聚变;只是受限于稳定运行时间短、释放能量受限。

 

    究其原因,除托卡马克,还有结构复杂、核聚变反应物质距约束设施较近,会较快提高后者的温度、压强,而失效外,都是因为,核聚变反应到一定能量时,其辐射的粒子,特别是辐射热能到达约束设施,会使其受到损毁,而不得不停止运行。

只有再设计更大的器件,使其达到控核聚变稳定运行时间足够长,能有效释放应有的能量。

    而且,这2种方法,都是,核聚变反应物质,全部被包围于约束设施之内,在运行过程中,无法添加;只有停止运行后才能添加。而多有不便于连续运行。

 

四.氘氚聚变发电的具体设计方案

    本博主曾有博文,“激光内爆核聚变发电方案”

http://blog.sciencenet.cn/blog-226-830966.htm

根据2014年2月12日发表在《自然》周刊网站报告的,美国加利福尼亚州利弗莫尔国家点燃实验设施进行的两次实验结果的数据,提出了一个:“在直径10米靶室的30厘米厚的混凝土墙均匀分布的洞内,采用192个激光束500万亿瓦功率的激光脉冲和氘、氚,核聚变原料(总量相当于前述实验的中心小球),保证氘、氚混合体运行达到中心后,其压强和温度达到核聚变的温度和压强,而能充分有效地聚变反应,释放能量。当中心区域发生核聚变后,就还要同时计算各时刻产生的能量和向外传送过程中,对各处压强,温度的影响。直到达到墙体处,保证压力和温度不致损坏墙体和设备器件,并有足够的能量持续不断稳定地聚变、释放能量,供给环绕墙体处,发电机接受其热能的器件,用于发电。

能持续不断的更新补充供应核燃料,并控制释放的能量,使传播到靶室墙体处的压力和温度不致损坏墙体和设备器件。”的设计方案。

 

后又在博文:

http://blog.sciencenet.cn/blog-226-1033871.html

中,修改、补充如下:

只需一根头发丝直径的氘、氚核聚变原料丝从靶室顶端垂到中心,192个激光束500万亿瓦功率的激光脉冲全部均匀分布在与核聚变原料丝正交的靶室圆周上,射向中心。

随着中心处的核聚变原料反应消耗,核聚变原料丝不断下降补充,而连续不断地供给环绕墙体处接受热能用于发电的器件。

为此,必须创制出所用核聚变原料从“室温、常密度到核聚变反应后的温度、密度”的整套状态方程,计算出中心处的核聚变原料在激光作用过程中 各部分状态的变化过程,以及达到核聚变反应后,发出的高能粒子、光和热辐射。

就能,也才能,计算调节确定核聚变原料丝的直径和下降补充的速度,而能连续不断地稳定供给环绕墙体接受热能用于发电的器件。

 

至于“托卡马克约束器件”,就因其结构复杂、核聚变反应物质距约束设施较近,而且,难于连续供应核聚变反应物质,而不能如此解决。

 

本文在[科学网] 链接地址:http://blog.sciencenet.cn/blog-226-1033871.html

这一方案应是解决人类能源的最佳设计方案。

其中的关键核聚变材料、强激光器、所用核聚变原料从“室温、常密度到核聚变反应后的温度、密度”的整套状态方程、和有关系数、内爆的整套运行方程、程序,咱们都已全面掌握。

希望有关领导,尽快组织有关力量、及早具体设计、实现。

 

    本文在[科学网] 链接地址:http://blog.sciencenet.cn/blog-226-1066404.html




http://blog.sciencenet.cn/blog-226-1104651.html

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1 蒋德明

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