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聚变之路谁前行?(1) 精选

已有 7488 次阅读 2018-3-18 16:45 |个人分类:学海无涯|系统分类:科研笔记| 聚变, MIT, 能源

 

这个周末刷了笔者朋友圈的新闻是MIT宣布新的聚变实验堆计划。基本内容有几条:


1. 可望15年建成世界第一个聚变电站;


2. 已经获得5000万美元投资;


3. 技术路线主要创新点是采用高温超导线圈维持更强磁约束。


马上《知识分子》转发了新闻,并配了很引人注目(或者用时下时髦的说法:吸引眼球)的标题:核聚变能源或15年内到来。


记得上次“聚变热”是2014年Skunk Works的一个团队宣称他们:1)做一个卡车装得下的堆,2)5年实现聚变;3)10年聚变发电。


4年过去了,根据Skunk Works去年十月底在Milwaukee展示的最新结果,他们的“紧凑型”聚变装置还处于研究阶段,参数比世界上大多数托卡马克(包括国内的几个)还低很多。他们的聚变之路似乎更是遥遥无期。。。


那次“聚变热”兴起之时,很多人信,根据有两条:1、他们是美国人;2、他们是Skunk Works。不止一个人对我说:他们是Skunk Works耶!似乎这是非常有力的依据。但没有一条原因是关于科学依据和技术路线的。


我们的回答是 —— 要做具体的科学分析:


1. 不管多么“紧凑”,Lawson判据是要达到的,温度大约10keV,密度大约10^20 m^-3是一定要有的。堆芯这么高的温度密度,到第一壁几乎降到零,会产生很大的温度、密度梯度(压强梯度)。物理量的梯度(加个负号)就是广义力,这么强的广义力必然带来非常强的不稳定性。所以要实现聚变(而不是仅仅做等离子体物理研究),堆芯等离子体的尺度不能太小了。


2. 即使我们不考虑堆芯的尺度(先假定这个小尺度、紧凑型也能点火),还有一个回避不了的问题就是能量包层。


我们知道,聚变产生的能量不是电,而是中子(占80%)和alpha粒子(占20%)的动能。alpha粒子因为带电,会被约束在等离子体里,其能量可以用来继续加热等离子体。所以可以用来发电的只有中子能量。但是中子是电中性,不能直接用来发电,只能用中子碰撞截面比较大的物质(比如铅)做成“墙”来“阻止”中子(就如核实验室外边用铅壁或者混凝土墙来屏蔽中子),使得中子在这面“墙”里减速直到完全停止,把动能变成热能;再用冷却水把热带走发电。这面“墙”——即能量包层,显然要厚达几米(包括支撑结构等)、360度全面包裹(聚变中子显然是各向同性的)。加上庞大的冷却系统,再小巧玲珑的“紧凑型”装置,也变成臃肿不堪的大胖子了。


3. 事情还没完。这个能量包层还必须有产氚功能(所以应该叫产氚—能量包层)。


自然界里的氚都是要衰变的,所以氘氚聚变需要的氚要人工生产。目前世界氚产量只不过以千克计算,还不够一个GW级聚变电站(每天烧1.7千克)烧一周的。所以要聚变装置自己产氚。办法是用中子轰击锂。一个氚原子与一个氘原子聚变、产生一个中子;这个中子打到锂上,产生一个氚;再把这个氚放回到反应堆,完成一个氚循环。这就是氚自持。所以包层里还要放上锂,实现产氚功能。这使得包层的体积又增大不少。


但是包层都要有结构、有接缝,不可能包覆所有中子;而且中子和锂的反应截面有限,不可能都发生产氚反应。所以要在包层里做铍床、放置大量的铍小球。一个聚变中子打到铍小球上可能会打出两个中子(能量低一些,与锂反应截面更大),实现中子增值——氚增值。所以包层的体积又不知要增大多少。


现在卡车已经装不下了!一个篮球场能装下就不错了。


4. 还有用于初始点火的加热系统、监测等离子体运行的诊断系统,。。。,每个占地面积都不比堆芯小。


5. 然后还有氚工厂:中子与锂反应得到的氚还留在包层里,要提取出来,再送回去;排灰的时候带出来的氚(前面博文说过,氦灰比氚约束得还要好)也要经过萃取送回去。这个占地面积远比上面加起来还要大。


现在半个足球场可能都装不下。


6. 最后还有电源系统、超导低温系统、再加上发电机组。


一个足球场大小差不多吧。


对“可携式”(portable)的动力需求来说,只适合放在航母上。


做了上述分析后,一句话:Skunk Works就是忽悠。


果然就是。在APS上问他们包层的事情,他们回答是:我们说的“compact”就是堆芯这一块。


。。。


所以,Skunk的卡车堆显然是忽悠了。第二点,5年实现聚变,现在4年过去了,离Lawson判据比咱们家里的托卡马克还远。不妨再等一年。10年发电那个目标也可以等,还剩下6年嘛,弹指一挥间。


那么MIT这回宣布的计划呢?


(待续)



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