IAE2022.07.5

 

聚變發生在等離子體中,在足夠的溫度和壓力下限制足夠的時間。這些約束的組合稱為勞森準則。一個元素的較高值允許其他元素的較低值。

在恆星中,最常見的燃料是最輕的原子氫,而重力提供了所需的長約束時間和高壓。融合核產生的能量維持必要的溫度以保持反應進行,而恆星核心的大小和密度防止了快速的能量損失和冷卻。提議的反應堆通常使用氫同位素,如氘和氚(或兩者的混合物),它們更容易反應,並允許它們在更可達到的溫度和壓力下達到勞森標準。

幾個世紀以來,人類一直夢想著利用太陽的力量來為我們在地球上的生活注入活力。 但我們想超越收集太陽能,有朝一日從微型太陽產生我們自己的能量。 如果我們能夠解決一系列極其複雜的科學和工程問題,聚變能源有望成為一種綠色、安全、無限的能源。 每天從水中提取一公斤氘就可以產生足夠的電力來為數十萬戶家庭供電。

作為一種動力來源,核聚變有望比裂變具有許多優勢。 其中包括大大降低了運行中的放射性和很少的高放核廢料、充足的燃料供應以及大大提高的安全性。 例如,聚變反應堆只使用少量燃料,不會產生失控反應。

自 1950 年代以來,科學和工程研究在迫使氫原子在自持反應中融合在一起方面取得了巨大進展——以及少量但可證明的聚變能量。懷疑論者和支持者都注意到了兩個最重要的剩餘挑戰:長時間維持反應和設計一種材料結構來利用聚變能發電。

作為普林斯頓等離子體物理實驗室的聚變研究人員,我們知道實際上,第一個商業聚變發電廠至少還需要 25 年的時間。但本世紀下半葉可能會帶來巨大的好處,這意味著我們必須繼續努力。聚變可行性的主要演示可以更早完成——而且必須如此,以便將聚變能納入我們未來能源的規劃中。

與太陽能、天然氣和核裂變等其他發電形式不同,聚變不能在小型化中發展,然後簡單地擴大規模。實驗步驟很大並且需要時間來構建。但豐富、清潔能源的問題將是人類在下個世紀及以後的主要呼喚。不充分利用這種最有前途的能源將是愚蠢的。

為什麼是聚變力?

在聚變中,氫原子的兩個原子核(氘和氚同位素)融合在一起。這是相對難以做到的:兩個原子核都帶正電,因此相互排斥。只有當它們碰撞時移動得非常快,它們才會碰撞在一起,融合,從而釋放我們所追求的能量。

這在陽光下自然發生。在地球上,我們使用強大的磁鐵來容納由帶電氘和氚原子核和電子組成的極熱氣體。這種帶電的高溫氣體被稱為等離子體。

等離子體非常熱 - 超過 1 億攝氏度 - 帶正電的原子核移動得足夠快,足以克服它們的電排斥和融合。當原子核融合時,它們會形成兩個高能粒子——一個阿爾法粒子(氦原子的原子核)和一個中子。

將等離子體加熱到如此高的溫度需要大量的能量——必須在聚變開始之前將其放入反應堆。但是一旦開始,聚變就有可能產生足夠的能量來維持自身的熱量,從而使我們能夠吸收多餘的熱量來轉化為可用的電能。

用於聚變能的燃料在自然界中很豐富。氘在水中很豐富,反應堆本身可以從鋰中製造氚。它適用於所有國家,大部分獨立於當地自然資源。

融合電源很乾淨。它不排放溫室氣體,只產生氦和一個中子。

這是安全的。像核裂變“熔毀”這樣的失控反應是不可能的。相反,如果出現任何故障,等離子體就會冷卻,聚變反應就會停止。

幾十年來,所有這些屬性都推動了研究,並且隨著時間的推移變得更具吸引力。但積極因素與聚變的重大科學挑戰相匹配。

1) 在物理和工程的限制下優化聚變反應堆設計。超出人類可以計算的範圍,這些優化的設計產生了高度穩定的扭曲甜甜圈形狀,並且可以連續幾個月自動運行。它們在聚變業務中被稱為“仿星器”。

2) 開發新的高溫超導磁體,比當今最好的磁體更強更小。這將使我們能夠建造更小、可能更便宜的聚變反應堆。

3) 使用液態金屬而不是固體作為等離子體周圍的材料。液態金屬不會破裂,這為周圍材料在接觸等離子體時可能表現出的巨大挑戰提供了一種可能的解決方案。

4) 構建包含環形等離子體的系統,中心沒有孔,形成幾乎像球體一樣的等離子體。其中一些方法也可以在較弱的磁場下起作用。這些“緊湊環”和“低場”方法還提供了減小尺寸和成本的可能性。

世界各地政府資助的研究計劃都在研究這兩種成分的元素——並將產生有益於所有聚變能方法的研究結果(以及我們對宇宙和工業中等離子體的理解)。在過去的 10 到 15 年中,私人投資的公司也加入了這一努力,特別是在尋找緊湊型環面和低場的突破口。進步正在到來,它將帶來豐富、清潔、安全的能源。

對聚變反應堆的研究始於 1940 年代。反應堆效率穩步提高,但迄今為止,還沒有設計達到所需標準的勞森標準。目前的研究反應堆需要比它們產生的輸出更多的能量來運行,並且只能在有限的時間內維持聚變。主要的研究障礙包括等離子體控制、材料脆化和能量提取。等離子體是混沌的,必須以極高的精度進行限制和壓縮,以防止等離子體損失並維持反應,這一要求的複雜性仍在通過許多不同的方法進行探索。面向等離子體的材料及其定期更換(如果需要)需要大量研究,因為大多數聚變設計會產生高能中子流,隨著時間的推移會降解反應室中使用的材料。最後,必須在不中斷反應的情況下從反應容器中提取能量。現在對這些問題的理解比最初要好得多,目前的研究堆,如 ITER(在建)預計將證明,在很大程度上,這些問題中的許多問題是可以克服的,並允許測試創造所需的技術大約 2050 年的原型商業反應堆。

聚變研究人員研究了許多限制概念。早期的重點是z-pinch、仿星器和磁鏡。後來託卡馬克和慣性約束帶頭。這兩種設計都在大規模研究中,特別是法國的 ITER 託卡馬克和美國的國家點火裝置 (NIF) 激光器。研究人員還在研究其他可能提供更便宜方法的設計。在這些替代方案中,人們對磁化目標聚變、慣性靜電約束和仿星器的新變體越來越感興趣。