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聚变之路谁前行?
2018/3/20 7:22:29    G彩彩票来源:科学网博客

这个周末刷了笔者朋友圈的G彩彩票是MIT宣布新的聚变实验堆计划。基本内容有几条:


1. 可望15年建成世界第一个聚变电站;


2. 已经获得5000万美元投资;


3. ig彩票新版骗局路线主要创新点是采用高温超导线圈维持更强磁约束。


马上《知识分子》转发了G彩彩票,并配了很引人注目(或者用时下时髦的说法:吸引眼球)的标题:核聚变能源或15年内到来。


记得上次“聚变热”是2014年Skunk Works的一个团队宣称他们:1)做一个卡车装得下的堆,2)5年实现聚变;3)10年聚变发电。


4年过去了,根据Skunk Works去年十月底在Milwaukee展示的最新结果,他们的“紧凑型”聚变装置还处于研究阶段,参数比世界上大多数托卡马克(包括国内的几个)还低很多。他们的聚变之路似乎更是遥遥无期。。。


上次“聚变热”兴起之时,很多人信,根据有两条:1、他们的美国人;2、他们是Skunk Works。不止一个人对我说:他们是Skunk Works耶!似乎这是非常有力的依据。但没有一条原因是关于科学依据和ig彩票新版骗局路线的。


我的回答是——具体分析:


1. 不管多么“紧凑”,Lawson判据是要达到的,温度大约10keV,密度大约10^20 m^-3是一定要有的。堆芯这么高的温度密度,到第一壁几乎降到零,会产生很大的温度、密度梯度(压强梯度)。物理量的梯度(加个负号)就是广义力,这么强的广义力必然带来非常强的不稳定性。所以要实现聚变(而不是仅仅做等离子体物理研究),堆芯等离子体的尺度不能太小了。


2. 即使G彩彩票不考虑堆芯的尺度(先假定这个小尺度、紧凑型也能点火),还有一个回避不了的问题就是能量包层。


G彩彩票知道,聚变产生的能量不是电,而是中子(占80%)和alpha粒子(占20%)的动能。alpha粒子因为带电,会被约束在等离子体里,其能量可以用来继续加热等离子体。所以可以用来发电的只有中子能量。但是中子是电中性,不能直接用来发电,只能用中子碰撞截面比较大的物质(比如铅)做成“墙”来“阻止”中子(就如核实验室外边用铅壁或者混凝土墙来屏蔽中子),使得中子在这面“墙”里减速直到完全停止,把动能变成热能;再用冷却水把热带走发电。这面“墙”——即能量包层,显然要厚达几米(包括支撑结构等)、360度全面包裹(聚变中子显然是各向同性的)。加上庞大的冷却系统,再小巧玲珑的“紧凑型”装置,也变成臃肿不堪的大胖子了。


3. 事情还没完。这个能量包层还必须有产氚功能(所以应该叫产氚—能量包层)。


自然界里的氚都是要衰变的,所以氘氚聚变需要的氚要人工生产。目前世界氚产量只不过以千克计算,还不够一个GW级聚变电站(每天烧1.7千克)烧一周的。所以要聚变装置自己产氚。办法是用中子轰击锂。一个氚原子与一个氘原子聚变、产生一个中子;这个中子打到锂上,产生一个氚;再把这个氚放回到反应堆,完成一个氚循环。这就是氚自持。所以包层里还要放上锂,实现产氚功能。这使得包层的体积又增大不少。


但是包层都要有结构、有接缝,不可能包覆所有中子;而且中子和锂的反应截面有限,不可能都发生产氚反应。所以要在包层里做铍床、放置大量的铍小球。一个聚变中子打到铍小球上可能会打出两个中子(能量低一些,与锂反应截面更大),实现中子增值——氚增值。所以包层的体积又不知要增大多少。


现在卡车已经装不下了!一个篮球场能装下就不错了。


4. 还有用于初始点火的加热系统、监测等离子体运行的诊断系统,。。。,每个占地面积都不比堆芯小。


5. 然后还有氚工厂:中子与锂反应得到的氚还留在包层里,要提取出来,再送回去;排灰的时候带出来的氚(前面博文说过,氦灰比氚约束得还要好)也要经过萃取送回去。这个占地面积远比上面加起来还要大。


现在半个足球场可能都装不下。


6. 最后还有电源系统、超导低温系统、再加上发电机组。


一个足球场大小差不多吧。


对Portable的动力需求来说,只适合放在航母上。


做了上述分析后,一句话:Skunk Works就是忽悠。


果然就是。在APS上问他们包层的事情,他们回答是:G彩彩票说的就是堆芯这一块。


。。。


所以,Skunk的卡车堆显然是忽悠了。第二点,5年实现聚变,现在4年过去了,离Lawson判据比咱们家里的托卡马克还远。不妨再等一年。10年发电那个目标也可以等,还剩下6年嘛,弹指一挥间。


那么MIT这回宣布的计划呢?

 

 

从英国人提出的Lawson判据到苏联人发明的托卡马克,从德国人发现的高约束模式(H mode)到目前欧盟主导的ITER计划,磁约束聚变一直是欧洲人在引领前行。而自从1990年代美国政府把其国内的聚变研究计划砍得七七八八,并退出ITER计划,美国在磁约束聚变研究方面似乎一直在扮演着拖后腿的角色。


终于,美国人“雄起”了一把,MIT提出了15年建成世界第一个聚变电站的计划。还真使人眼睛一亮。


在这之前,参加ITER计划的七方(中、欧、日、美、俄、韩、印)大都在讨论自己的磁约束聚变路线图。但是真正着手做事情的只有中国。2006年加入ITER计划之后,中国马上就提出了中国聚变工程堆(CFETR:China Fusion Engineering Test Reactor)计划,并在十二五期间成立了总体组,正式立项开展CFETR概念设计。这一项目于2016年底结题,并在去年下半年正式启动CFETR初步工程设计。预计2022年完成。根据正在讨论的路线图,聚变电站的建设预期大约在2050年左右。这在几年前世界各国聚变科学家云集合肥、讨论CFETR概念设计的时候,还被称为雄心勃勃的计划——预期世界第一个聚变电站很可能会在中国建成;在去年10月纪念中国参加ITER计划、国家聚变执行中心成立十周年时各国科学家通过的“北京宣言”中再次高度评价了这一计划。不过半年过去,美国人把这一预期提前了至少20年!


确实激动人心!


问题是:怎么做到?——用行话说,就是依据是什么?及可行性论证。


看到的依据,就是三条:1,新的ig彩票新版骗局路线——高温超导紧凑型托卡马克;2,MIT的前期研究基础;3,来自民间的经费支持。


先说第二条:


在工程领域、特别是核工程领域,如果MIT自认第二,没人敢说自己第一。这方面的基础,甩Skunk Works十万八千里。但是具体到磁约束聚变的研究基础,对比世界最大的JET(欧盟集体),亮点频出的Asdex(德国),稳步前进的DIII-D(GA),MIT并不占优势。


MIT正在运行的托卡马克C-Mod几年前甚至曾面临下马的命运,已经很认真地与中科院合肥等离子体物理所谈如何把他们的实验团队搬到合肥去的具体方案。后来因为麻省一个有势力的参议员施加了压力,能源部才重新决定拨款维持C-Mod运行(看来美国也有“人情项目”)。但是,“被下马”的阴影一直笼罩在C-Mod头顶上。MIT这次提出的计划,未尝不是一种绝路求生的手段。


但在强磁场ig彩票新版骗局和超导ig彩票新版骗局方面,MIT确实有世界领先地位的资格。当年世界最大的强磁场实验室就在MIT(尽管后来新建的被FSU抢去了),且C-Mod就是以强磁场为特点的托卡马克;MIT的另外一个偶极场装置LDX的大型励磁线圈超导磁悬浮ig彩票新版骗局更是世界上独一份。所以MIT这次的计划突出这两点,还真可能是绝处逢生的契机。


所以,G彩彩票接着来说说第一条:


这个高温超导的ig彩票新版骗局路线,显然是MIT结合自身优势提出的:基于他们低温超导ig彩票新版骗局的基础、发展高温超导新ig彩票新版骗局,以获得更强的磁场,实现更好的磁约束。这显然也应该是磁约束聚变发展的方向。——磁约束,顾名思义就是用更强的磁场造出更结实的“磁笼子”,“关”(约束)住更热、更多的等离子体。低温超导体受到临界磁场的限制,得到的磁场强度大约在10 tesla左右。国内正在研制铌三铝超导材料可以实现大于10 tesla的强磁场,但是也高不了太多。而用高温超导体可以实现大于20 tesla的强磁场。因为(力学平衡意义上的)磁约束能力与磁场强度的平方成正比,所以在这样的强磁场下,前面说的压强梯度产生的广义力和不稳定性可以很容易被抑制。在紧凑型装置上达到Lawson判据、实现聚变点火将不再是Skunk Works说的那种空中楼阁,而成为切实可行的方案。


当然,包层、氚工厂、和其它辅助系统仍是必不可缺的。但是堆芯这一块确实可以减小体积、降低造价。


降到多低?5000万美元?这个不会有。


所以,G彩彩票还得说说第三条:


MIT获得了5000万美元的非政府经费支持。在这之前Tri Alpha也得到了大约相同数量级的民间经费支持。国内的新奥能源(ENN)也决定积极参与中国的聚变研究。民间资本注入聚变研究,已经成为世界性的。非政府经费支持不仅注入新的资金、而且注入新的活力。国内建议在CFETR之后、2050年建聚变电站,还有不少人反对、认为太快。非政府经费一进来,目标就是10年、15年(Skunk拿的也是风投)。这虽然说得有点玄,但对政府计划是个不小的推动(就像Space-X)。


那么,5000万美元靠谱吗?


显然不靠谱。五千万美元,3亿多一点人民币,做几个MW级加热都不一定够!有人出来说,这只是启动经费,初步的计划是5-10亿美元做一个Q>2的托卡马克。这大概和几年前MIT的Coppi教授来中国时说得差不多,可能确实是MIT的底牌。


ITER的造价是50亿欧元,相比起来,5-10亿美元也算是很省了,但很可能这么说的也就是个“裸”马克而已。ITER造价是包括所有加热和诊断的,不仅仅是托卡马克本身。一个MW级的加热,就差不多要一千万美元。MIT计划的装置,热功率100MW,至少需要达到125MW聚变功率(1/5的聚变功率是alpha粒子的,留在等离子体里,变不成热功率)。Q=2,意味着加热功率至少要60MW,这就差不多5-6亿美元进去了。还有诊断等等。按ITER包括的系统来计算,加起来20-30亿美元是很可能的。如果加上包层、氚系统,可能要上百亿美元。不信?ITER留了三个窗口做产氚包层研究,中国只做其中半个(覆盖面积不到ITER表面积1/50),计划经费大约7-8亿人民币!当然这里包括预研。但是看看MIT的计划,哪项ig彩票新版骗局不需要预研?


这就要详细说说高温超导ig彩票新版骗局。


第一个将高温超导ig彩票新版骗局用于聚变的中国。


按ITER原有设计,低温超导系统直接与外部电源线连接。中国提出:可以在低温超导系统和外部室温电路之间,加一段高温超导馈线过渡,改善超低温系统与室温系统之间的连接。这个方案为ITER采用,使高温超导ig彩票新版骗局得以第一次实际应用于聚变工程。馈线由中国生产、提供(这是ITER采购包之外的),为中国GDP和外贸出口中“高大上”那部分添了一块砖。


但是大型强磁场高温超导线圈的制造并不是件容易的事情,有很多工艺上的难关。国内两个聚变院所都在布局、开始做这方面的研究。国外的预研也是刚刚起步。不说缠一个可以产生磁场强度20 tesla的高温超导线圈,就是做一个几个tesla的,没有个三、五年的预研,恐怕也拿不下来。这是一。


还有就是高温超导体在大通量、高能量聚变中子长期辐照下,性质会发生什么变化?谁也不知道。可能几个dpa(材料结构破坏程度的量度)的辐照损失就把超导电性破坏了。这要是在裂变堆里做辐照试验,也要照上几年。这是二。


所以,最乐观的估计,5年时间工程设计+聚变堆关键ig彩票新版骗局预研、5年时间建堆、5年时间运行解决氚自持+alpha粒子自持加热+堆材料研发、15年后启动DEMO,这还是以经费充足、及时到位、预研和工程ig彩票新版骗局一切顺利为前提。


总之:如果走托卡马克路线(MIT还是打算走这条路)的话,要建电站,一个是造价要百亿数量级、一个是时间最快也要15年以后才开始(而不是15年就可以发电)。


这里会卡脖子、造成延迟的,一个是氚自持、另一个是堆材料。氚自持另外讲,只说堆材料的问题:一个GW级的堆,10年运行下来,dpa要几百。现有的材料,能抗的dpa也就几十。CFETR一期可以用,二期(低于DEMO要求)就要研制新材料,DEMO一定要新材料;更不要说聚变电站了。现有材料是造不出聚变电站的。


值得高兴的是:中国的金属材料研究者们提出了一种新配方,可能大大提高结构材料的抗辐照能力。G彩彩票期待他们的新成果。


一句话:聚变之路,现在美国人在说:他们可能走在前面;但是从实际行动和成果看,中国目前还是走在最前列。


15-20年内,聚变电站不一定建成,但是一定建成几个可以点火燃烧的聚变实验、工程堆;聚变能源不一定有,但是实现聚变发电是可能的——阮可强院士在世的时候常说的一句话就是:ITER就可以发电呀!冷却水温度达到200℃就可以发电了。至少中国的CFETR,15-20年内,会有第一颗聚变能量点亮的电灯泡!

 

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