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聚变还要多少年?(1)

已有 3363 次阅读 2021-5-20 12:34 |个人分类:假语村言|系统分类:科研笔记

聚变还要多少年实现?这是个老问题了。


严格说来,“聚变”这件事情早已在大约90年前就实现了——用加速对撞的方法观测到了氘氚聚变反应。所以“聚变还要多少年”不是一个严格的科学说法。正确的说法是:聚变能源发电还要多少年才能实现?


做科学研究的,就应该严谨:


第一,是聚变能源:聚变得到的、可以输入我们日常的能源系统(比如电网)的能量要大于所消耗的能量;第二,要能发电(民用、受控):氢弹也是一种聚变能源、早已经造出来了,但不能用来发电。


那么,我们就来说说聚变能源。


一句有名的调侃:30年前,就说还要30年实现聚变发电;30年过去了,还说还要30年(甚至50年)才能实现!


说是调侃,但也是事实。为什么会这样?


笔者从来认为,出了问题,主要是自己的原因;不要怨客观。当年共产党打天下,派几个年轻人、带三五支枪(甚至赤手空拳)到一个地方,几个月就拉起队伍、一两年就建立根据地;苏联强大到世界老二、“另一个超级大国”,一夜功夫、变天解体。说到底,都是自己的问题。


我们回顾一下聚变能源研究的发展过程。

 

聚变界同行都喜欢用这个图:



 

图中蓝色点是聚变关键参数:归一化聚变三乘积,红色点是个人电脑(PC)的归一化计算能力;而红蓝直线分别是其拟合曲线。这个图告诉我们,聚变前30年发展很快、比电脑发展都快,只是1990年代后期开始停滞了(看下面的图)。如果按照原来的曲线发展,2010年前后就应该达到能量增益因子(聚变产生的能量与输入聚变堆的能量之比)Q = 10 - 30。这个停滞是导致“聚变总是30年(50年)”的国际性调侃的主要原因。这一停差不多就延迟40年!现在只过去了20年,如果继续等ITER还要差不多20年。




为什么会有这个停滞?就一个重要的原因是:TFTR(欧洲的JET、日本的JT60差不多同时期开始设计)设计时被美国和国际上认为已经是一个“点火”装置。所以起名:Tokamak Fusion Test Reactor。从名字就看出,这是目前存在(或者存在过)的唯一的用Fusion命名的、唯一的用Reactor命名的装置。后继的、已经进入建造阶段的,只有ITER用了这两个词!而且连ITER也只是用了“Experiment Reactor”;只有号称是“beyond ITER”的CFETR(中国聚变工程试验堆)用了“Test Reactor——前者(Experiment)明显是“科学研究”之意,后者(Test)才是“工程技术”用语。


但是TFTR没有达到预期的聚变点火目标。

 

停滞的直接原因就是世界各国都没有再设计、建造下一代大型装置,而是等ITER,而ITER因为各种原因一拖再拖——从最初立项到现在已经30多年了,让任何一个大国自己做也早运行了!但是我们还要等差不多20年才能等到氘氚运行。


我们已经蹉跎了20多年,还要继续再等20年吗?

 

结论:我们早就需要有一个 TFTR/JET/JT60 之后、 ITER之前的装置来挑战breakevenQ = 1)!这个“装置”必须是“堆”(Reactor!

 




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