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在聚变的三岔路口处 精选

已有 11615 次阅读 2023-6-16 14:31 |个人分类:学海无涯|系统分类:科研笔记

在聚变的三岔路口处


1950年代开始的聚变能源研究,做的一直是“走向聚变”的工作:达到劳森判据条件,实现“科学上的”得失相当breakeven),即得到的聚变功率与输入聚变堆等离子体的加热功率相当;验证聚变能源大规模利用的科学可行性。这两个功率之比Pfusion/Pheating = Qp称为能量增益。“Breakeven”就是Qp = 1。当然,科学可行性(Qp >= 1)不等于工业可行性。工业可行性的验证需要达到:Qe >= 1。这里 Qe = 聚变发电功率/电站整体耗电功率。考虑到电网提供功率转换为射频加热功率的低转换率(<10%)和聚变功率转换为热功率再转换成电功率大约30%的转换率,需要Qp > 50~100才能达到Qe >= 1

看起来很遥远(我们目前在Qp ~ 1的门槛上),但有一个容易达到的临界阈值:Qp = 5

为什么?550-100还隔着老远呢!

是。但是由于聚变功率分成中子功率(占4/5)和alpha粒子功率(占1/5)两部分,我们可以分成两步走:第一步,用1份加热功率得到5份聚变功率(其中有1alpha粒子功率),实现Qp >= 5;然后关掉外部射频加热,利用那1alpha粒子功率“接力”继续加热等离子体,维持Q’p =5 运行—— 注意,这时分母上的加热功率不再是外部加热功率,而是持续聚变反应提供的那份alpha粒子功率。这就是自持加热。这时因为没有了外部加热,原来定义的Qp 趋向无穷大所以如果能有效的实现alpha粒子加热,实现工业可行性(Qe >= 1)所需要的外部加热会大大降低、甚至不需要。【当然这仅仅是对磁约束聚变而言。惯性约束聚变因为约束方式不同,alpha粒子加热的效率需要另外估算。】

1990年代后半期,美国的TFTR、欧洲的JET和日本的JT-60U等几个大型(在当时的水平看)托卡马克装置上先后进行了氘氚聚变和氘氘等价聚变实验,得到了Qp = 0.67JET,氘氚)和等价(折算)Qp = 1.25JT-60U,氘氘等价)的结果,已经走到了breakeven的门口。但是由于1990年代美国聚变发展战略的转折和2006ITER重启后各国聚变发展路线图的重新定位,TFTRJT-60U被先后关掉,JET氘氚实验也被叫停,1990年代后期达到的能量增益水平至今没有被超越。

202212月,美国国家点火装置(NIF)的惯性约束聚变实验第一次得到了Qp = 1.54(输入能量2.05MJ,输出能量3.15MJ)的氘氚聚变能量增益,“正式”实现了氘氚聚变的breakeven(人们对JT-60U的氘氘等价结果私下里还是有异议的)。这对二十多年躺在成绩上等ITER的磁约束聚变界是一个促动:我们什么时候真地来一把氘氚聚变的breakeven

 在这之前其实已经有很多“非主流”的尝试,最引起轰动的是Skunk Works的“五年聚变、十年发电”。笔者当时就说:不就是十年?我们等得起!(见拙作《聚变之路谁前行?(1》)现在十年时间快要到了,不过人们已经把他们忘记了。因为新的、看起来靠谱的计划已经在实施了。其中值得注意的是基于MIT多年研究基础发展起来的CFSCommonwealth Fusion System)正在建造的SPARC,和基于我国多年研究基础设计并计划建造的BEST;核西物院也宣布了在HL-3上做氘氚实验的计划。

前者笔者已经有评论(见拙作《聚变之路谁前行?(2》):

1.    高温超导强磁场约束托卡马克技术路线是正确的:

磁约束、磁约束,就是靠强磁场来约束,所以强磁场一定是最关键的因素;而且MIT多年主打的就是强磁场托卡马克(比如C-Mod),强磁场约束聚变技术是MIT的强项;

2.   Qp = 2的目标是切实可行的(比几年前提出的目标更实际):

这个目标超越NIF的结果,无可争议地跨越了breakeven的门槛;而且这只是保守目标,设计能力有可能达到Qp = 10,跨过Qp >= 5的自持加热阈值;

3.    面临主要困难是资金不足:

当时的融资只有五千万USD,和实际需求是差数量级的;现已达到18亿USD,已可以支撑SPARC的建设和初期运行。

国内BEST的目标和参数尚未官宣,应和SPARC在伯仲之间;HL-3的氘氚实验还在规划中。此外,除新奥能源,国内也新出现了一些聚变能源研发企业:走托卡马克路线的“能量奇点”及走球形环(ST: spherical tokamak)路线的“星环聚能”。还分别在西南交大和南华大学建设了两个仿星器(stellarator)实验室,上月还举办了讨论偶极场磁约束装置的香山会议,等等。

 磁约束聚变研究在近年内跨过breakevenQp = 1)应该没有什么疑义了。跨过这一步,就站在三岔口上——前面有两条路:1)仍以科学研究为主,把握燃烧等离子体特性,奠定基础后再看工业可行性;2)改以聚变工程技术研究为主,突破建堆发电关键技术,直面工业可行性问题。验证聚变发电的工业可行性则是两条路“殊途同归”的目标。

对资深聚变研究人员,这已经是非常值得骄傲的节点(可以作为自己事业的完满“句号”)。可是对年轻人来说,这只是人生事业的第一步!前面这两条路,尽管不同,但迈上去就是赢了(阶段性胜利):因为你在向前走!如果还是在来路上徘徊,耗费半生仍在“走向聚变”,只能说是“蹉跎岁月”。 

长风破浪会有时,直挂云帆济沧海。人生遇到这样的机遇可能只有一次。为国家重大需求、世界科学前沿做贡献,此其时也。

 

【聚变发电是否便宜、与其它电力相比是否有市场竞争力,这是商业可行性范畴,目前还提不上日程。】

 




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