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聚变之路谁先行?(5) —— 聚变燃烧率 精选

已有 7213 次阅读 2018-6-2 11:12 |个人分类:学海无涯|系统分类:科研笔记| 聚变燃烧率, 氚自持, 氘氚聚变

 

磁约束聚变能源发展研究面临的挑战,前面说了一些。没有讲的,主要有两条:氚自持和聚变堆材料。后者笔者是外行,留给做材料的同行讲。这次讲讲燃烧率与氚自持,算是结束语。关于氚自持的重要性,过去的文章说过,这里就不赘述了。

 

聚变燃烧率是氚自持是否可以实现的关键 —— 假设1.2的氚增殖,如果燃烧率只有0.3%,则氚自持的必要条件是:整个氚循环过程中损失不能高于万分之六;如果燃烧率提高到3%,则氚自持的必要条件变为:整个氚循环过程中损失不能高于千分之六。显然前者是非常苛刻的,而后者是比较容易达到的。

 

我们来估算一下氘氚聚变燃烧率。

 

燃烧率等于单位时间发生聚变的氚离子数(NF)除以加料速率(S0),即NF / S0

 

稳态运行下,注入的氚离子数(= 加料速率x 加料效率(a = aS0= 单位时间氚离子的边缘损失(粒子输运引起,记为NL+ 单位时间发生聚变的氚离子(NF),所以:

 

S0 = NL + NF/a

 

燃烧率 = NF / S0 = aNF /NL + NF.

 

考虑:

NF = sv nDnTV

(这里s是氘氚反应截面,v 是其相对速度,即:sv 是聚变反应速率;V是等离子体总体积,nD,nT分别是氘、氚离子密度

NL = nTV/t         

这里 是粒子平均约束时间

 

得到:

燃烧率 = aNF /NL + NF= a sv nD /1/t + sv nD

 

高斯(cgs)单位制下:

由附表,取聚变等离子体温度为10-50 keV,得 sv = (1.1-8.7) X 10-16 cm3/sec;而nD 大约为 1014 cm-3t 约为0.2-0.8 secsv nD ~ 0.01-0.1 sec-1, 1/t ~ 1-10 sec-1

 

近似地有:燃烧率 ~ a sv nD t  ~ (0.1-7)% a

 

 

因此,提高燃烧率的途径有以下几种:

 

1. 提高加料效率a

 

—— 这一途径最有效。但问题是:如果加在温度高的芯部等离子体中心区域,固然可以增大电离率(从而增大加料效率),但会引起一系列问题。其中最主要的,是引起较强电离辐射、降低芯部等离子体中心区域温度,增大等离子体大破裂(major disruption)的危险性!

 

是否就直接用氚中性束(加料同时加热)?这可能是个解决方案。但通过电荷交换产生的中性氚原子因为失去磁场约束而很容易损失掉,从而可能增大氚循环的损失。

 

所以需要先进行各种加料方式的优化研究。

 

2. 提高氘离子比例——即降低氚离子比例(从氘氚密度相当变化到氘多氚少)

 

—— 这是一个有效的办法。试想一下,如果归一化截面为百万分之一,那么一百万个氘和一个氚配对,对氚来说成功率可达到100%;但是如果一百万个氚和一个氘配对,对氘来说成功率自然是100%,但是对氚来说成功率最高也只有百万分之一(只有一个氘,反应一次别人就没机会了)!所以这会大大提高燃烧率。

 

但是我们马上会想到一个问题:同样等离子体数密度下(单位体积里离子或电子个数),减少一种反应物的数量,聚变反应率(对应的就是聚变功率)会大大降低!(我们中学时学化学平衡和移动的时候就学过了。)

 

所以需要优化,在保证聚变功率足够大(超过工业的得失相当)条件下,提高氚的燃烧率。这应该是聚变反应堆粒子控制研究的关键问题之一。

 

3. 增强氚离子的约束,增加约束时间。

 

—— 这是很自然会想到的。

 

但增强粒子约束有两方面的挑战:一个是粒子约束时间到一定程度(几秒)就很难再增加,另一个则是增加粒子约束时间对排灰可能不利。

 

所以,增加核燃料(氚)的燃烧率的途径不是没有(目前的估算基本是用当前得到的参数、且假设氘氚比是1:1),但这是一个需要综合考虑的问题。对这个问题的研究关系到氚自持的实现和氚工厂及氚循环系统规模和处理能力的设计,所以有必要先走一步。

 

附表:聚变反应速率(点击看全图)







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3 黄永义 徐世文 刘万东

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