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核聚变发电,民间有高手

导读: 很多人认为大型核聚变装置的建造时间长,造价贵,商业化进程不如人意。各国政府主导的核聚变进程让民间高手看不惯了,等不住了,这几年,纷纷踏入核反应圈。

很多人认为大型核聚变装置的建造时间长,造价贵,商业化进程不如人意。各国政府主导的核聚变进程让民间高手看不惯了,等不住了,这几年,纷纷踏入核反应圈。

近日在河北廊坊举行的一次核聚变技术研讨会上,国内知名能源企业新奥集团宣布,未来十年将建一座小型核聚变实验装置。这是首个宣布研发聚变能源的中国民营企业。

和平利用核聚变被称作“能源的圣杯”。近几年,全世界的民营企业纷纷投建核聚变实验装置,或将有突破带给我们惊喜。与官方的大装置不同,它们实验的是小型核聚变。

核聚变发电,民间有高手

各出奇招,都为了小

一提到核聚变发电,关键词是“托卡马克”装置——用磁场笼子关锁炽热的核燃料,最著名的实验装置都是这类,包括世界最大聚变反应堆——欧洲联合环形加速器(JET)、先进实验超导托卡马克(EAST)和国际热核聚变实验堆(ITER)计划;除此以外,“惯性聚变”也时常听说,即用强力激光或X射线聚焦,引爆小颗粒燃料,最著名的是美国国家点火装置(NIF)。

小型核聚变技术,顾名思义,装置更小。它们大多属于托卡马克,但体量上是ITER规模的几十分之一,建设起来快得多,技术路线也是百花齐放。

三阿尔法能源公司从粒子加速器技术获得灵感,将硼元素加入氢燃料中,吸收了核聚变放出的中子——这些中子会损害设备,使其带上放射性。其C-2U设备将一个氢气球体加热到了1000万摄氏度,保持了5毫秒。

而通用聚变公司用活塞震荡氢燃料,促使聚变。上世纪70年代美国海军项目将核聚变燃料制成等离子磁化球,在液态金属壳中点燃,活塞负责压缩和点燃核燃料。此项目虽然中止,但有人重拾技术,用加拿大政府的小笔津贴,成立了通用聚变公司。2009年开始,通用聚变公司建造了海胆状的、直径1米的钢球,14个加农炮口尺寸的活塞。反应室四周搅动熔铅,创造出中有空隙的涡流,容纳氢燃料。活塞以每秒50米的速度撞击反应室壁上的插件,发送冲击波穿过熔铅,促发小型核聚变。目前这一设备的压缩系统和燃料注射器还在实验阶段,没有实现聚变。

美国的劳伦斯维尔等离子体物理装置(LPP),只花了200多万美元,采用苏联上世纪50年代提出的“稠密等离子体焦点(DPF)”路线,电磁场压缩核燃料。核心是两个圆柱形电极,一个包含另一个。外部电极直径18厘米,密封在充满气体的管中。一个电脉冲从外部电极冲向内部电极,产生等离子体环。接着,电流产生的磁场挤压等离子环,成一个微小且致密的球。然后磁场崩塌诱发电场,电子束穿过等离子体,加热到几亿摄氏度高温。目前该设备能达到高温,但粒子密度不够。

再如英国托卡马克能源公司,首创高温超导体的托卡马克,球形构型来自普林斯顿大学,高温超导体来自麻省理工学院。其ST40反应堆可生成1500万摄氏度的等离子体——太阳中心温度,创造了私企研究核聚变的纪录;第二台反应堆ST25,2015年连续29小时输出等离子体,创下世界纪录。2018年公司想将反应温度再创新高,达到1亿摄氏度。

美国洛克希德·马丁公司的臭鼬工厂也从2010年研发紧凑型聚变反应堆,体积将是之前概念反应堆的十分之一,跟大型卡车的拖车一样大。

群雄逐鹿,草根主导

1950年代以来,苏联和美国的政府项目都重点研究托卡马克,它形似甜甜圈,用磁场箍束几千万摄氏度的等离子体。

ITER建成前,英国牛津的JET是最大的托卡马克装置。1997年,JET用2.5万千瓦的输入功率,输出了1.6万千瓦的聚变能,曾鼓舞了科学家建造ITER。

1985年,欧洲、日本、美国和苏联提议共建ITER计划。2007年,欧盟、中国、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国开始合作ITER计划,在法国南部建造一台托卡马克装置,拥有800多立方米的等离子体腔,磁体重量与一架波音747飞机相当。预计ITER建成后,能产生500兆瓦电力,大约相当于现在的大型核裂变反应堆。该项目前十年执行拖沓,成本超出预算。

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