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聚变之路谁先行(4) 精选

已有 9424 次阅读 2018-5-10 10:03 |个人分类:学海无涯|系统分类:科研笔记| 聚变, 核燃料, 约束, 新奥

 

聚变之路谁先行(4)—— 写在新奥能源走上聚变之路时

 

【原打算这一部分讲一下如何提高聚变燃烧率、实现氚自持;新奥的廊坊会议之后,觉得需要说几句。但这一段校内外本科生和硕士、博士研究生都在准备毕业,自己学生、外校学生的答辩、预答辩和各种准备、论文评阅,事情突然多起来。今天有一个几小时航程,可以抽时间写写了。晚了快一个月了。希望还有人看。】

 

4月15日,新奥能源研究院在河北廊坊召开“紧凑型聚变装置研讨会”。来自中、美、日、欧、韩的几十位聚变科学家聚集一堂,研讨磁约束聚变未来发展。正式开始了中国企业界走向聚变能源之路。

 

今年是国际聚变60年。1958年,在日内瓦召开的国际和平利用原子能大会上,美、苏、欧同时将自己的磁约束聚变研究解密,开启了人类携手努力征服聚变能源的时代。参会的中国代表团将会议资料和参考书籍带回国内。笔者硕士导师的研究生导师王承书先生就是在从日内瓦回北京的火车上,用几天的时间翻译出了等离子体物理书籍的第一本中文译本,并把plasma这个词汇译作:等离子体。这也标志着中国等离子体物理研究的开始。

 

60里,聚变能源研究一直是“国有制”—— 即使在应用基础研究领域,磁约束聚变也被认为是距离可实际应用最遥远的。所以这一领域与其它学科相比,有两个独特之处:第一,全面、公开的,没有任何保留的国际合作(这是当年美苏和解时,唯一选定的科学合作领域;更是中美科技合作协定签署后,30多年来唯一坚持下来的领域);第二,除个别公司(一直在坚持的好像只有美国的General Atomics),企业界不涉足核心的聚变物理研究领域。

 

ITER计划在2006年重启之后、特别是最近几年,情况有所改变:一些小的科研公司(如美国的Tri Alpha)和个别企业(如Skunk Works)获得风投融资,MIT也得到风投支持。但这些企业资源有一个特点:都是风投 —— 投资是从外部注入的,而不是聚变研究企业自己口袋里的钱。而且一些企业(如Tri Alpha)几乎完全靠这些投资支撑,或者说:他们的鸡蛋都放在聚变能源这一个篮子里。

 

新奥参与磁约束聚变能源研发行动的一个特点,是他们的投资完全是自己掏腰包 —— 是企业的战略研发经费,而不是外部融资的风投。这在全世界,也是凤毛麟角。而且投入的力度之大,也非其它风投可比。这体现了中国企业家以发展为己任、立志走在科学前沿的胸怀和决断。

 

走出第一步之前,先要确定方向。会上会后,聚变的基本问题又拿出来审视一遍。

 

第一,就是聚变燃料。

 

说到燃料,氘当然是首选。所谓“海水里有得是”、“取之不尽、用之不竭”,说的就是氘。曾任国家磁约束核聚变专家委员会主任的彭先觉先生有一句名言:要是能“烧氘”,那就好办了。还有就是氦3 —— 嫦娥计划,氦3这种战略资源是一个要点。当然硼在聚变方面也占重要一席。Tri Alpha这个公司,就是用硼燃料聚变产生三个alpha粒子这一事实来命名的。聚变能量全部由alpha粒子这样的带电粒子来携带的好处是:容易控制、其能量转换成其它形式的电磁能效率高。但是,无论是氘,还是氦3,或者是硼,其聚变能的获取都有一个巨大的挑战:门槛太高!

 

为了达到氘氚聚变,全世界聚变科学家努力了60年,刚刚走到温度10keV(一万电子伏特,相当于一亿度)、密度每立方厘米百万亿到千万亿个粒子这一氘氚聚变门槛的边缘。而上述所谓“先进燃料”,实现聚变的条件要达到几十(氦3+氘)甚至100keV数量级的温度。这在目前的技术条件下很难实现。不说其它,就说这么高的温度,面临的主要挑战是:至少对于磁约束聚变来说,目前成熟的加热手段,在温度接近10keV时,只能做到主要加热电子了——但是聚变反应需要的是高温的离子。将离子加热到几十到100keV的温度以实现“先进燃料”的聚变反应,目前来说还没有发现合适的技术路线。即使实现了,其聚变反应截面峰值也比氘氚聚变低差不多一个数量级!(见下图。)

 

                       

       

           主要聚变燃料的反应截面与等离子体温度的关系

 

结论:最近几十年内,只能走氘氚聚变的技术路线。

 

第二,就是聚变方式。

 

每过一段时间,就会有“加速器”路线大行其道。

 

实现聚变,需要使两个能发生聚变反应的“轻核”获得足够的动能——足以克服两核间的库仑势垒,才能发生聚合。而获得动能最简单直接的方式,自然是加速。事实也是如此:世界上第一次聚变反应,就是利用加速器将两束轻核(离子)加速对撞实现的。

 

但我们的目的不是实现聚变反应(我们常说“实现聚变”,这也是引起误解的一个原因),而是获得聚变能源!实现聚变不难,80多年前(1932)就已经实现了。但是为什么获得聚变能源这么难?因为聚变的反应截面(两个离子对撞发生反应的概率)非常非常小,用了很多能量加速离子,得到的聚变能量却几乎可以忽略 —— 得不偿失。人们就想到了怎么把带电离子的动能反复利用的问题。一个直接的方法就是加热,让这些离子做热运动 —— 无规运动,这次碰不到还有下一次。但还有一个问题:热运动的粒子团会扩散、而且这么高的温度什么器壁也受不了!于是人们就想到“约束” —— 用磁场(带电粒子都绕着磁力线运动)、或者“惯性”(把粒子整体向心加速获得速度,利用惯性,在它们整体向心速度停下、整体开始扩散之前达到聚变反应条件)。前者就是用“磁笼子”长时间约束热粒子,后者可以用强激光、也可以用加速得到的粒子束。但是无论何种手段,最后聚变的都是热等离子体团(即使是用粒子束也只是起到约束作用)。

 

有人提出环形的加速器:两束反向粒子束对撞,可以解决粒子动能的反复利用问题。

 

看似有道理,实则图样图森破!

 

两束离子对撞时,不是简单的“擦身而过”。因为带电,它们之间要发生“库仑碰撞”(即库仑散射)。相比起它们的聚变反应截面,库仑散射截面简直可以看成“无穷大”!对撞一次,聚变反应没发生几个,但粒子束则是百分之百会被散射成“扫把”。经过几次“对撞”,这两束离子很快就热化。所以最后还是“热离子”。

 

这就是为什么我们称聚变能源为:热核聚变——Thermal Nuclear Fusion。简称“聚变”带来的问题是:隐去了“核”,忘记了“热”。

 

当然,最近兴起的一种新约束方式:磁-惯性约束 —— 将磁约束得到的两团等离子体对撞来达到聚变条件。这一方式结合两种约束形式,可能产生一个有效的新技术路线。但是其本质,仍需要以热等离子体团为基本条件 —— 还是热核聚变。

 

第三,就是约束位形。

 

上面说,一团高温等离子体,会发生热扩散,最后消失掉。所以,需要约束。

 

50年代磁约束聚变物理研究刚刚兴起的时候,约束位形经过一段百花齐放、百家争鸣的阶段。80年代之前的等离子体物理书籍对这些位形都有介绍。但是后来出版的书籍渐渐集中于托卡马克位形。有些书籍名字就叫“Tokamaks”。尽管所谓“新概念”(alternative concepts, 严格翻译应该叫“替代概念”)还有很多、德国的“仿星器”(stellarator)WX-7的建成和最近实验成果也非常鼓舞人心,但是毋容置疑,托卡马克位形现在是磁约束聚变的主流选择。

 

为什么?这里有深刻的拓扑依据和物理根源。

 

我们要在三维空间做一个“磁容器”来约束等离子体,那么这个容器的约束“表面”和内部那些包括磁力线绕成的约束表面(我们称之为“磁面”)的最佳选择一定是二维封闭曲面。可以用一条一维的磁力线“铺满”的一个二维封闭曲面,最简单的拓扑位形就是一个轮胎状的环形面。拓扑上单联通的球面(或者与其拓扑同构的多面体表面等等),用一条磁力线缠绕,必然留下两个“奇点”(南、北极)。这也是为什么球马克(spheromak)后来被球形托卡马克(spherical tokamak)逐渐取代 —— 后者拓扑上是个环形装置。

 

为什么托卡马克的约束更好?我们再从物理上来分析。

 

磁约束位形中,最稳定的是q-箍缩:相当一个无限长螺线管,通上电流后在内部产生均匀磁场。所以约束的等离子体也是均匀的。显而易见,这样的约束位形没有任何宏观的磁流体不稳定性(安全因子趋向无穷大)。但是物理世界中不存在二维无限长的“螺线管”;有限长的话两端会有“端效应”。消除“端效应”方法有两种:一种是把两端“堵”上,一种是把两端对接上。前一种主要是“磁镜”:两端各增加一个线圈,造成两端强、中间弱的磁场分布。利用磁矩绝热不变量的原理,把带电粒子约束在两端的强磁场区之间。但是还是有“漏”出去的(通过“损失锥”)。所以想出后一种方法:两端对接,形成环形约束。但是把“直筒”弯成环状时,环的内侧被压缩、外侧被拉伸,形成内侧强磁场区和外侧弱磁场区。内外侧的磁场梯度会引起漂移运动,最后破坏约束位形。解决的办法是再加一个环的横切面圆周方向的“极向场”,让磁力线把环状表面缠绕起来。一来形成闭合的、约束完整的磁面,二来粒子沿着磁力线运动时,“看到”的是从强场侧到弱场侧、再到强场侧这样一个“等效磁镜”的变化。所以托卡马克又可以看成是一个多磁镜串接成的封闭环形。因为这一位形来自q-箍缩,要保持其优越性;所以环向场是根本,极向场能够通过“旋转变换”把等离子体稳定住就可以。因此,托卡马克的环向场比极向场要高一个数量级。这是托卡马克区别于其它环形位形(如反场箍缩、球形托卡马克等)的关键之处。

 

当然。为了得到稳定的约束位形,人们还想到用最小能量原理来寻找势能取极小值的位形(如Taylor提出的RFP:reversed field pinch,译作“反场箍缩”);或者直接去找自然界存在的稳定约束位形(如Hasegawa提出的偶极场位形 —— CTX与LDX)。但这种通过“弛豫”(RFP就是试图通过弛豫达到能量极小值得“无力场位形”)或者在自然界外部约束非常弱的条件下得到的位形(类似地球偶极场的LDX等),都是需要在同样参数下占据较大空间的约束,技术上不适用。

 

四、装置大小

 

聚变之路(2)专门讲过装置大小问题。这里就不再次展开了。不过有两个要点再强调一遍:1)“紧凑”只能是堆芯,其它和能源有关的部分要“紧凑”很难;2)堆芯的“紧凑”也只是在强磁场条件下才有可能实现。所以,高温超导条件下的强磁场技术是一个非常重要的努力方向。

 

大家一起努力!

 

【对撞问题,感谢刘万东教授的重要建议和深入讨论。】


2018年5月9日 路上



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