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:

上述企業通常都畫了個比ITER更圓的大餅,在官網列出五年計劃,按我國小編的語言就是要讓美國震驚、中國側目、歐盟恐慌、炮打OPEC。其實他們也就是想解決如何讓Q值提升到比目前的「1左右」更好看的問題,距離實用還很遠。

將聚變等離子體放出的熱比較高效地導入熱機在目前技術下並不困難。一、二次冷卻材料都用加壓水的場合熱效率41%,熔鹽做一次冷卻材料、超臨界二氧化碳做二次冷卻材料的場合熱效率42%,這樣。燒開水的超超臨界熱機的技術性能並不比聽起來更高級的機組落後多少。

超臨界二氧化碳熱機從聚變等離子體裏取出熱來發電


這東西想要講的稍微全面一點都能湊出個一學期的課程……

如果想要一個簡單的圖像,我們可以從勞遜判據出發。勞遜判據被定義為等離子體密度,離子溫度與能量約束時間的乘積,即

(手機沒法打公式,差評!)

是對聚變品質參數的一個簡單估計。

亦即是說,聚變裝置的性能提升,一般都對應著這三個關鍵參數的提升。

反映到等離子體上,也就是如何實現對等離子體的加熱約束這兩個主要的問題。

對裝置而言,則主要是處理等離子體中兆安培量級的巨大電流帶來的應力問題,以及高能粒子與聚變中子輻照帶來的損耗問題。若進一步考慮仿星器這種奇形怪狀的裝置,則還要考慮裝置的製造以及安裝的成本問題

有空再仔細講……


一切燒火做飯的問題都只有一個關鍵點:

循環中的能量利用效率。

方式方法其實都是無所謂的,誰解決了這個誰就能燒火做飯。

製備三個15KeV的氘核,總能量大約需要90KeV。

D+D → H+T 釋放 4MeV

D+T → n+He 釋放 17.6MeV

總反應 3D → H+n+He 釋放 21.6MeV 也就是 21600 KeV

聚變循環中總體的能量使用效率只要達到90/2160=4.2%就能實現循環自持。

一切設計都是圍著這個轉的。

然而,可控核聚變是。。。

用濕木頭燒火做飯。。。得想辦法讓能量都集中在有用的木質上,而不是木頭中的水分上。


Q值大於一

通俗的講叫做投入產出比!

理論通過,試驗樣機,商業投產後,少的投入,超大的回報纔是可控核聚變的價值所在!


反應堆內壁材料


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