可控核聚變的難點在哪裡?
不要求對外發電盈利的話沒有難點,造個靜電約束Fusor輕而易舉,它已經做為中子源商用了。
打算拿來發電的可控核聚變是要長時間操縱不定形的高能等離子體,讓裝置容忍這種物質的不穩定性並對粒子和能量進行約束,在其物理性質上就很難。目前打算拿來發電的設計可以按約束的方式分成磁約束、慣性約束、混合約束。
磁約束方面,現存的託卡馬克裝置·球狀託卡馬克裝置為了不損毀自身,聚變等離子體的密度過低,無法長時間維持反應,輸出的電力低於輸入(輸出的總能量大於輸入是可以的,但熱能和中子的能量並不能完全轉換成電力),當不了能源,不過已經很接近了。現有託卡馬克裝置的最高實際效率是1997年歐洲聯合環形加速器(JET)的輸出16兆瓦/總輸入24兆瓦(聚變能增益係數Q=0.67),持續不到一秒。日本JT-60U用實驗數據推算氘-氚聚變的紙面Q=1.25,可以對外輸出30兆瓦電力,但其沒有使用放射性物質氚的能力,並未進行該點火試驗——而根據JET的經驗,實際Q會是紙面值的一半左右。
由於託卡馬克前途未卜,仿星器又建了一些研究反應堆,其優點是等離子體持續時間可以超過一小時,但結構複雜、設計困難、高速等離子粒子損失大的問題現在解決不了。其餘方式的進度更慢。
如果不考慮成本,託卡馬克·球狀託卡馬克樂觀估計在當前技術下就能讓輸出電力等於輸入,但那還不算能源:
- 要求裝置能夠產生足夠的熱讓自己的核反應繼續下去,按照目前的實際情況,對磁約束來說需要Q達到5~8,對慣性約束來說要求Q達到50~100。
- 商用的話,考慮到成本,對磁約束來說需要Q達到22以上,你再考慮到裝置本身的土建成本、使用壽命和拆解處理費,可能需要Q達到30以上。
理想的託卡馬克裝置對溫度、真空度、超導、內壁輻射吸收的要求經常超過現代材料科學的能力範圍,這方面還需要研究。但一般考慮,讓它發出電來並不需要全面滿足條件。當然,你要追求長時間安全運轉的話,就連支撐超導磁體的材料都是個問題:在工作狀態下的受力條件、啟動和關機的瞬間的應力變化、出現異常時的受力、輻射造成的材料劣化都可能導致意外。
慣性約束方面,激光聚變、粒子束聚變、重離子聚變更適合不可控核爆,在現代激光器能量效率約1%的情況下,無法期待低燃料量時的輸出。以美國國家點火裝置的直徑2~3mm的燃料球來講,商業發電的話每天要打爆100萬個,每個的價值超過50美分就不如燒煤,而且激光器以1%的效率打個幾百發就需要更換零件,實用設計至少要以10%~30%的效率打一億發。該裝置在2013年進行的點火試驗達到了Q=0.0077,可真高哦。這在當前技術水平下無法處理。其餘方式的進度更慢。不過,這方面的成果已經在覈武器設計、民用發動機設計等領域用上了。這方面的難點不是核聚變,而是現在的激光器的性能。
如果你寬容一點,核爆鍋爐也視為慣性約束,那技術上其實已經可以做了,阻攔它的是國際局勢。
混合約束方面,衝擊波磁化靶標核聚變目前還缺乏實驗,但有一個100MW級反應堆的設計,用液態金屬傳遞衝擊波來避免反應堆自毀。其餘方式的進度更慢。2019年11月,美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室進行了一項等離子體線性實驗,也是混合約束,目前沒發現拿來當核彈以外的好處。
在即將完成的託卡馬克裝置裏,國際熱核聚變實驗反應堆(ITER)目前已經動工,預計於2025年開始等離子體實驗,2035年開始進行全氘-氚聚變實驗。它的設計目的是輸出500MW/輸入50MW,Q=10,長脈衝持續400-600秒,等離子體超過10億攝氏度。ITER不會接入任何發電設備,人類將用它驗證氚增殖並完善中子屏蔽/熱轉換技術(氘-氚聚變反應的大部分能量是以快中子的形式釋放,並不容易利用)。在新冠病毒影響下,ITER的建成時間可能推遲。
目前,民間在搞可控核聚變的商業公司主要有: