等离子体科学分享 http://blog.sciencenet.cn/u/等离子体科学 俱怀逸兴壮思飞,欲上青天揽明月

博文

聚变之路谁前行?(2) 精选

已有 6673 次阅读 2018-3-19 16:42 |个人分类:学海无涯|系统分类:科研笔记| 磁约束, 高温超导, 聚变能源

 

从英国人提出的Lawson判据到苏联人发明的托卡马克,从德国人发现的高约束模式(H mode)到目前欧盟主导的ITER计划,磁约束聚变一直是欧洲人在引领前行。而自从1990年代美国政府把其国内的聚变研究计划砍得七七八八,并退出ITER计划,美国在磁约束聚变研究方面似乎一直在扮演着拖后腿的角色。


终于,美国人“雄起”了一把,MIT提出了15年建成世界第一个聚变电站的计划。还真使人眼睛一亮。


在这之前,参加ITER计划的七方(中、欧、日、美、俄、韩、印)大都在讨论自己的磁约束聚变路线图。但是真正着手做事情的只有中国。2006年加入ITER计划之后,中国马上就提出了中国聚变工程堆(CFETR:China Fusion Engineering Test Reactor)计划,并在十二五期间成立了总体组,正式立项开展CFETR概念设计。这一项目于2016年底结题,并在去年下半年正式启动CFETR初步工程设计。预计2022年完成。根据正在讨论的路线图,聚变电站的建设预期大约在2050年左右。这在几年前世界各国聚变科学家云集合肥、讨论CFETR概念设计的时候,还被称为雄心勃勃的计划——预期世界第一个聚变电站很可能会在中国建成;在去年10月纪念中国参加ITER计划、国家聚变执行中心成立十周年时各国科学家通过的“北京宣言”中再次高度评价了这一计划。不过半年时间,美国人把这一预期提前了至少20年!


确实激动人心!


问题是:怎么做到?——用行话说,就是依据是什么?即可行性论证。


看到的依据,就是三条:1,新的技术路线——高温超导紧凑型托卡马克;2,MIT的前期研究基础;3,来自民间的经费支持。


先说第二条:


在工程领域、特别是核工程领域,如果MIT自认第二,没人敢说自己第一。这方面的基础,甩Skunk Works十万八千里。但是具体到磁约束聚变的研究基础,对比世界最大的JET(欧盟集体),亮点频出的Asdex(德国),稳步前进的DIII-D(美国的General Atomics),MIT并不占优势。


MIT正在运行的托卡马克C-Mod几年前甚至曾面临下马的命运 —— 已经很认真地与中科院合肥等离子体物理所谈如何把他们的实验团队搬到合肥去的具体方案。后来因为麻省一个有势力的参议员施加了压力,能源部才重新决定拨款维持C-Mod运行(看来美国也有“人情项目”)。但是,“被下马”的阴影一直笼罩在C-Mod头顶上。MIT这次提出的计划,未尝不是一种绝路求生的手段。


但在强磁场技术和超导技术方面,MIT确实有世界领先地位的资格。当年世界最大的强磁场实验室就在MIT(尽管后来新建的被FSU抢去了),且C-Mod就是以强磁场为特点的托卡马克;MIT的另外一个偶极场装置LDX的大型励磁线圈超导磁悬浮技术更是世界上独一份。所以MIT这次的计划突出这两点,还真可能是绝处逢生的契机。


因此,我们接着来说说第一条:


这个高温超导的技术路线,显然是MIT结合自身优势提出的:基于他们低温超导技术的基础、发展高温超导新技术,以获得更强的磁场,实现更好的磁约束。这显然也应该是磁约束聚变发展的方向。—— 磁约束,顾名思义就是用更强的磁场造出更结实的“磁笼子”,“关”(约束)住更热、更多的等离子体。低温超导体受到临界磁场的限制,得到的磁场强度大约在10 tesla左右。国内正在研制铌三铝超导材料可以实现大于10 tesla的强磁场,但是也高不了太多。而用高温超导体可以实现大于20 tesla的强磁场。因为(力学平衡意义上的)磁约束能力与磁场强度的平方成正比,所以在这样的强磁场下,前面说的压强梯度产生的广义力和不稳定性可以很容易被抑制。在紧凑型装置上达到Lawson判据、实现聚变点火将不再是Skunk Works说的那种空中楼阁,而成为切实可行的方案。


当然,包层、氚工厂、和其它辅助系统仍是必不可缺的。但是堆芯这一块确实可以减小体积、降低造价。


降到多低?5000万美元?这个不会有。


所以,我们还得说说第三条:


MIT获得了5000万美元的非政府经费支持。在这之前Tri Alpha也得到了大约相同数量级的民间经费支持。国内的新奥能源(ENN)也决定积极参与中国的聚变研究。民间资本注入聚变研究,已经成为世界性的。非政府经费支持不仅注入新的资金、而且注入新的活力。国内建议在CFETR之后、2050年建聚变电站,还有不少人反对、认为太快。非政府经费一进来,目标就是10年(Skunk拿的也是风投) 、15年。这虽然说得有点玄,但对政府计划是个不小的推动(就像Space-X)。


那么,5000万美元靠谱吗?


显然不靠谱。五千万美元,3亿多一点人民币,做几个MW级加热都不一定够!有人出来说,这只是启动经费,初步的计划是5-10亿美元做一个Q>2的托卡马克。这大概和几年前MIT的Coppi教授来中国时说得差不多,可能确实是MIT的底牌。


ITER的造价是50亿欧元,相比起来,5-10亿美元也算是很省了,但很可能这么说的也就是个“裸”马克而已。ITER造价是包括所有加热和诊断的,不仅仅是托卡马克本身。一个MW级的加热,就差不多要一千万美元。MIT计划的装置,热功率100MW,至少需要达到125MW聚变功率(1/5的聚变功率是alpha粒子的,留在等离子体里,变不成热功率)。Q=2,意味着加热功率至少要60MW,这就差不多5-6亿美元进去了。还有诊断等等。按ITER包括的系统来计算,加起来20-30亿美元是很可能的。如果加上包层、氚系统,可能要上百亿美元。不信?ITER留了三个窗口做产氚包层研究,中国只做其中半个(覆盖面积不到ITER表面积1/50),计划经费大约7-8亿人民币!当然这里包括预研。但是看看MIT的计划,哪项技术不需要预研?


这就要详细说说高温超导技术。


第一个将高温超导技术用于聚变的是中国。


按ITER原有设计,低温超导系统直接与外部电源线连接。中国提出:可以在低温超导系统和外部室温电路之间,加一段高温超导馈线过渡,改善超低温系统与室温系统之间的连接。这个方案为ITER采用,使高温超导技术得以第一次实际应用于聚变工程。馈线由中国生产、提供(这是ITER采购包之外的),为中国GDP和外贸出口中“高大上”那部分添了一块砖。


但是大型强磁场高温超导线圈的制造并不是件容易的事情,有很多工艺上的难关。国内两个聚变院所都在布局、开始做这方面的研究。国外的预研也是刚刚起步。不说缠一个可以产生磁场强度20 tesla的高温超导线圈,就是做一个几个tesla的,没有个三、五年的预研,恐怕也拿不下来。这是一。


另一点就是高温超导体在大通量、高能量聚变中子长期辐照下,性质会发生什么变化?谁也不知道。可能几个dpa(材料结构破坏程度的量度)的辐照损失就把超导电性破坏了。这要是在裂变堆里做辐照试验,也要照上几年。这是二。


所以,最乐观的估计,5年时间工程设计+聚变堆关键技术预研、5年时间建堆、5年时间运行解决氚自持+alpha粒子自持加热+堆材料研发、15年后启动DEMO,这还是以经费充足、及时到位、预研和工程技术一切顺利为前提。


总之:如果走托卡马克路线(MIT还是打算走这条路)的话,要建电站,一个是造价要百亿美元数量级、一个是时间最快也要15年以后才开始(而不是15年就可以发电)。


这里会卡脖子、造成延迟的,一个是氚自持、另一个是堆材料。氚自持另外讲,只说堆材料的问题:一个GW级的堆,10年运行下来,dpa要几百。现有的材料,能抗的dpa也就几十。CFETR一期可以用,二期(低于DEMO要求)就要研制新材料;DEMO一定要新材料,更不要说聚变电站了。现有材料是造不出聚变电站的。


值得高兴的是:中国的金属材料研究者们提出了一种新配方,可能大大提高结构材料的抗辐照能力。我们期待他们的新成果。


一句话:聚变之路,现在美国人在说:他们可能走在前面;但是从实际行动和成果看,中国目前还是走在最前列。


15-20年内,聚变电站不一定建成,但是一定可以建成几个可以点火燃烧的聚变实验、工程堆;聚变能源不一定有,但是实现聚变发电是可能的——阮可强院士在世的时候常说的一句话就是:ITER就可以发电呀!冷却水温度达到200℃就可以发电了。至少中国的CFETR,15-20年内,会有第一颗聚变能量点亮的电灯泡!




http://blog.sciencenet.cn/blog-39346-1104710.html

上一篇:聚变之路谁前行?(1)
下一篇:聚变之路谁先行(3)

12 蒋德明 黄永义 李毅伟 陈兆权 刘山亮 胡文慧 从拾源 鲍海飞 苏德辰 杨新铁 迟延崑 yangb919

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (16 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备14006957 )

GMT+8, 2018-12-10 13:09

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部