美國(guó)能源部即將發(fā)表重大聲明,人類(lèi)或首次實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)凈能量增益,這意味著什么?
意味著慣性約束聚變發(fā)電,人類(lèi)邁出了一大步。
前方最少還有1000步,但也可能是+∞步。
(資料圖)
美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)的慣性約束聚變是什么?
本質(zhì)上相當(dāng)于一場(chǎng)小型氫彈爆炸。
氫彈爆炸的原理,其實(shí)就是通過(guò)原子彈產(chǎn)生慣性約束聚變。
上方的小型原子彈內(nèi)爆后,會(huì)產(chǎn)生大量的X光射線(xiàn),X光射線(xiàn)會(huì)在蛋殼內(nèi)反射匯聚,照射到包裹氫同位素聚變?nèi)剂系耐鈿ぃň郾揭蚁┡菽┥稀?/p>
上億℃的高溫,直接讓聚苯乙烯泡沫等離子體化,其極速膨脹,從而向內(nèi)對(duì)氫同位素產(chǎn)生極的壓強(qiáng)和溫度,突破聚變材料強(qiáng)相互作用力距離,從而最終點(diǎn)燃引爆。
氫彈誕生之時(shí),就有人想過(guò)聚變發(fā)電。
最初科學(xué)家想到的就是核爆發(fā)電,而且有的具有可行性。
例如,1977年,蘇聯(lián)科學(xué)家薩哈洛夫提出的核爆艙發(fā)電:
這設(shè)計(jì)風(fēng)格符合蘇聯(lián)的硬核和奔放。
但實(shí)際,這是一個(gè)理論可行的方案。
根據(jù)科學(xué)家的數(shù)據(jù)推算,建造小型這樣的發(fā)電站是足夠安全的。需要克服的主要兩個(gè):
降低爆洞工作溫度降低沖擊波破壞作用傳熱方面,前者可以用鈉和鉀的混合物。后者則可以用花崗石作基巖,不銹鋼作內(nèi)襯[1]。
考慮到核擴(kuò)散(《核不擴(kuò)散條約》限制了氫彈爆炸發(fā)電的利用)和其它不安定因素,目前并沒(méi)有國(guó)家真正實(shí)施這樣的計(jì)劃。
所以,才有美國(guó)為首的國(guó)家率先啟動(dòng)了小型的慣性約束聚變,現(xiàn)在中國(guó)這方面其實(shí)已經(jīng)做到了僅次于美國(guó)。
點(diǎn)燃原理,幾乎和氫彈引爆沒(méi)啥區(qū)別。
利用高能X射線(xiàn)照射聚變靶,加熱聚變靶表面物質(zhì),令其等離子體化。
等離子體化的高溫高壓物質(zhì),壓縮氫同位素,使得聚變材料密度達(dá)到鉛密度20倍(超過(guò)200g/cm^3),溫度達(dá)到1億℃,并最終點(diǎn)燃?xì)渚圩儭?/p>
由于氫聚變會(huì)釋放龐大能量,所以這個(gè)靶其實(shí)很小。
有多小呢?
如圖。
比常見(jiàn)的小鋼珠還要小。
慣性約束聚變玻璃微球:內(nèi)可填充氘氚氣體或氘氚冰
氫彈我們還能用原子彈來(lái)來(lái)產(chǎn)生高能X射線(xiàn),激發(fā)等離子體來(lái)引爆。對(duì)于這么小的聚變材料,自然不能用核彈了(核彈具有最小的臨界質(zhì)量限制)。
那應(yīng)該如何產(chǎn)生點(diǎn)燃的高能X射線(xiàn)呢?
現(xiàn)在主流的就是用激光。
不過(guò),為了制造這個(gè)高能X射線(xiàn),付出的代價(jià)卻是極高。
我們以美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)為例。
為了制造高能X射線(xiàn),需要先讓大量的激光射入一個(gè)專(zhuān)門(mén)制造的鍍金黑腔內(nèi)。
激光在壁內(nèi)不斷反射加熱,最終產(chǎn)生X射線(xiàn)。
X射線(xiàn)最終點(diǎn)燃提前放置在黑腔內(nèi)的微球。等離子體化的微球表面瞬間膨脹,使得聚變材料在幾納秒內(nèi)產(chǎn)生3500~400km/s的速度, 朝著內(nèi)部撞擊,產(chǎn)生數(shù)百GPa的壓強(qiáng),并最終發(fā)生核聚變[2]。
由于所有高能激光需要精準(zhǔn)地入射,所以需要精準(zhǔn)控制。
這是定位系統(tǒng):
同時(shí)還需從配一個(gè)龐大的靶室,當(dāng)初修建靶室的時(shí)候,由于過(guò)大,不得不分段建造:
然而這么大的靶室僅僅只是龐大點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)室的一部分:
包括外部建筑面積的話(huà),足足有三個(gè)足球場(chǎng)大小
兩邊的激光產(chǎn)生后,從藍(lán)色到紅色,最終進(jìn)入靶室。
你沒(méi)有看錯(cuò)。
如此龐大的系統(tǒng),僅僅只是為了引爆那么一顆小小的微球。
這個(gè)裝置單次打靶輸出功率達(dá)到400~500MJ。
2021年通過(guò)477 MJ的電能,產(chǎn)生1.8 MJ的紫外激光,最終得到了1.3 MJ的聚變能。然后接下來(lái)的一年,竟然無(wú)法完成重復(fù)試驗(yàn),期間竟然只能產(chǎn)生200~700KJ的聚變能。直到解決了一些基礎(chǔ)物理問(wèn)題后,才在2022以后,確定了它的可重復(fù)性[3][4]。
從歷年來(lái)該裝置的聚變能變化,可以直觀看出2021年的斷崖式飛越。
2022的這次突破,本質(zhì)上還是2021技術(shù)突破打下的基礎(chǔ):
使用422MJ的總電能,激發(fā)192 臺(tái)激光器,最終輸入2.1MJ的激光,產(chǎn)生2.5MJ的聚變能, 達(dá)到Q>1(其實(shí)僅僅只是激光進(jìn)入黑腔之后Q>1,完全沒(méi)考慮總用電量)。
激光器的效率本身是1~5%,但很明顯,在實(shí)際應(yīng)用中,加上紅外線(xiàn)到紫外線(xiàn)的轉(zhuǎn)化損失,NIF 的總激光輸入甚至沒(méi)達(dá)到1%,堪堪在0.5%上下。
考慮發(fā)電時(shí),需要通過(guò)熱交換器,利用熔融物質(zhì)把熱量交換出去之后,才能燒烤開(kāi)水發(fā)電。按照目前的人類(lèi)技術(shù),它的發(fā)電效率是很難超過(guò)40%。
值得說(shuō)明的是,這還不是穩(wěn)定的,并不是每次都能產(chǎn)生這么多,偶爾可能只產(chǎn)生0.1MJ。
即便我們往高了說(shuō),假設(shè)50%的穩(wěn)定發(fā)揮。
那么,按照目前的投入和產(chǎn)出,可能平均1000MJ最終才能產(chǎn)生1MJ。
也就是說(shuō),即便最理想的情況,人類(lèi)距離最初級(jí)的慣性約束發(fā)電條件,都還有1000倍的距離。
未來(lái)要實(shí)現(xiàn)慣性約束聚變發(fā)電,至少需要解決這些技術(shù):
1、點(diǎn)火效率進(jìn)一步提升,達(dá)到理論上輸入3MJ產(chǎn)生30MJ的效果,也即益10倍。2、激光器效率飛躍式提升,例如二極管技術(shù)理論上限是20%,考慮到損耗,我們預(yù)期實(shí)際上限是16%,加入激光之間的轉(zhuǎn)化損失穩(wěn)定到20%以下,那么最終能達(dá)到12.8%。這部分再增益10倍,那么多出28%,那么就真的可以實(shí)際運(yùn)用發(fā)電了。3、裝置打靶效率問(wèn)題,你弄了三個(gè)足球場(chǎng),最終才打靶這么一個(gè)小點(diǎn),還需要考慮黑腔置換,激光器散熱,靶室內(nèi)熱量傳輸發(fā)電問(wèn)題。由于聚變效率一般只有10%,還需要考慮氘氚的回收。如何設(shè)計(jì)一個(gè)全自動(dòng)置換黑腔、回收氘氚,同時(shí)轉(zhuǎn)化輸入輸出熱熔物質(zhì)發(fā)電,還要保證高效率,是這個(gè)系統(tǒng)必須解決的技術(shù)問(wèn)題。第1點(diǎn),當(dāng)點(diǎn)火能量提升了,微球聚變材料面密度再提升,自然就能做到更充分的聚變。這個(gè)隨著技術(shù)發(fā)展,是可能做到的。
第2點(diǎn),這是最關(guān)鍵的技術(shù),達(dá)到20%對(duì)于現(xiàn)今人類(lèi)猶如登天。10%還是有希望的。但如果只有10%的話(huà),就無(wú)法達(dá)成總正收益,無(wú)法去發(fā)電。從目前來(lái)看,做到超過(guò)10%,就有點(diǎn)賭運(yùn)的趨勢(shì)了。
第3點(diǎn),由于現(xiàn)在很明顯還只是一個(gè)很簡(jiǎn)陋的,大力出奇跡的裝備。任何發(fā)電所需要考慮的技術(shù)難題,現(xiàn)在都很難去考慮。但其實(shí)只要第2點(diǎn)能做到,第3點(diǎn)弄得勉強(qiáng)一點(diǎn),也有商用的希望。當(dāng)然一開(kāi)始因?yàn)榧夹g(shù)限制,可能這種電力會(huì)過(guò)于昂貴。
總的來(lái)說(shuō),對(duì)于慣性約束聚變發(fā)電,我們可能距離實(shí)現(xiàn),最低還有1000倍的距離。但也有可能是一個(gè)無(wú)限遠(yuǎn)的距離。尤其是激光效率難以得到提升的話(huà),就會(huì)成為一個(gè)死胡同。
總的來(lái)說(shuō),微型慣性約束聚變發(fā)電,間接條件太多,損耗環(huán)節(jié)過(guò)多。甚至一些損耗,是哪怕達(dá)到技術(shù)天花板也是存在的。
所以,與其弄低效率的微型核爆發(fā)電(哪怕最終達(dá)到每秒鐘一個(gè)靶點(diǎn),按照高的30MJ正收益10MJ來(lái)算,正收益功率也才10^7W,甚至不到三峽大壩的千分之一),還不如用地下核爆艙直接粗暴的方案。
應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)告訴我們,一般越直接,越有效率。
環(huán)節(jié)越多,損耗越多,越難有廉價(jià)的實(shí)際運(yùn)用。
最后不得不說(shuō)的是,慣性約束聚變的技術(shù)突破,即便最終不能發(fā)電,在其他方面具有深遠(yuǎn)影響的。
這玩意兒可不僅僅能拿來(lái)發(fā)電。
還可以模擬核爆炸,研究核武器性能。進(jìn)行高能物理實(shí)驗(yàn),模擬超新星爆發(fā)、恒星和巨大行星內(nèi)核的環(huán)境,探索宇宙秘密。
除此之外,還能促進(jìn)材料和激光技術(shù)的發(fā)展,從而在航天、軍事上有著更加廣闊的運(yùn)用。
參考
^中國(guó)工程物理研究院:核爆炸的和平利用^Zylstra A B, Hurricane O A, Callahan D A, et al. Burning plasma achieved in inertial fusion[J]. Nature, 2022, 601(7894): 542-548.^Zylstra A B, Kritcher A L, Hurricane O A, et al. Experimental achievement and signatures of ignition at the National Ignition Facility[J]. Physical Review E, 2022, 106(2): 025202.^Abu-Shawareb H, Acree R, Adams P, et al. Lawson criterion for ignition exceeded in an inertial fusion experiment[J]. Physical Review Letters, 2022, 129(7): 075001.關(guān)鍵詞: 等離子體
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