@ 2015.07.05 , 19:30
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核聚变的另一种途径:往小里想

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核聚变是太阳和恒星的能源,有一个世界性的科学探索来产生它作为一种清洁、可持续的能源。

在欧洲,国际科学界已支持了大型核聚变反应堆,例如英国的欧洲联合环形(JET)试验和目前正在法国建造的国际热核聚变实验反应堆(ITER)

但一组英国研究者说关键是想得更小,和把球状反应堆(常规形状反应堆的变形版本)与高温超导体搭配到一起,加快聚变能源的发展。它们的早期原型设备直径有1.2米,下一步,他们的目标是制造高3米,直径2.5米的机器。

“对这些设备的主流观点是你必须造得越来越大才能产生聚变能量。但我们着手使尝试使用这些高温超导体,”托卡马克能源的物理学家兼CEO David Kingham告诉我,“而不是使更大的反应堆,你得到一个更强的[磁]场,使你能有效地约束等离子体。”

托卡马克能源是一家位于英国的聚变能创业公司,其目的是在未来十年内产生大量、安全,和零CO2排放的清洁能源。它说如果成功,聚变能可以改变地球的能源格局。“只要1公斤聚变燃料释放的能量相当于一万吨化石燃料,”托卡马克能源物理学家和商务拓展经理Melanie Windridge在英国皇家学会夏季展览告诉我。

对于新手来说,聚变是通过在超过一亿度的温度下迫使较小的氢原子同位素融合产生较大的氦原子发生的。这个过程在称为“托卡马克”的面包圈形机器中完成,它使用磁场来束缚产生较大原子释放能量时生成的等离子体(带电气体)。

“我们的想法是托卡马克就像一个磁瓶。在太阳里等离子体被太阳的引力约束到位。如果我们想要在地球上得到聚变,我们必须有某些其他手段来保持高温高压等离子体一段长时间,而磁场是这样做的一个好办法,”Kingham的说,“你不能用固态材料因为等离子体温度为一亿度,会融化或腐蚀任何接触它的物体。”

Kingham的解释道,第一个超导磁铁用低温超导体制成。“它们用液氦冷到约四开尔文才能工作,这是绝对零度以上四度。”他说。

然而这些第一代超导体不能在强磁场下很好工作。与此相反,目前托卡马克能源使用的的高温超导体能承受20-30开尔文的温度和20-30特斯拉的磁场。为了在一个紧凑的托卡马克中实现融合条件,重要的是要有非常高的磁场使得等离子体能被约束在一个较小的容器中。

“首先,我们希望得到一个非常高的能量场,这种材料[超导体]可以做到。其次,我们不希望花费大量能量来冷却磁体,所以我们要运行在尽可能高的温度上,但我们需要磁体是超导的否则我们就在浪费巨量的能源,”Kingham解释道。

“我们目标是十年,但没人知道这些问题;它可能会更容易,也可能会更加困难”

目前,在国际科学界正在支持建设在法国南部的140亿美元ITER托卡马克。Kingham的承认ITER将是一个有价值的设备,但强调考虑较小型的可能会加速聚变能源发展的替代方案是很重要的。

“投资者们不肯把所有的鸡蛋放在一个篮子里。我们这里传达的信息是建造更小的东西,如果他们不完美,建造另一个并使之更好,”物理学家和公司顾问Colin Windsor 告诉我。

与此数十亿美元的ITER项目正相反,Kingham估计托卡马克能源的尝试从聚变中生产电力的10年计划将耗资约5亿美元。这或许会是过于雄心勃勃。“我们目标是十年,但没人知道这些问题;它可能会更容易,也可能会更加困难” 温莎说。

核聚变研究始于1950年代并进展缓慢,然而,托卡马克能源的研究者们断言,如果聚变能可以被实现,它就能被迅速扩展。“生产的电力将不会有任何碳排放量,并且不会有切尔诺贝利式爆炸的可能性,因为任何时候都没有核燃料在里面,而且也没有福岛的可能性,因为事后没有衰变热,”温莎说。

“在某种程度上,你可以认为我们像莱特兄弟一样在尝试建造一架刚刚才能起飞的飞机,而ITER装置的人则在试图建造一架747,它飞起来时会很辉煌,但很难从头造起,”Kingham的说。

本文译自 reddit,由译者 王丢兜 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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TOTAL COMMENTS: 46+1

  1. 胡安
    @3 years ago
    2852260

    商业可控核聚变一旦实现,水电免费使用差不多就是那一代人有生之年能看到的事情了
    我大概是看不到那一天了

  2. 恒河猴
    @3 years ago
    2852261

    详情去问钢铁侠托尼斯塔克!

  3. ilinix
    @3 years ago
    2852272

    所以你们的装置到底是怎么实现的?

  4. 休息休息
    @3 years ago
    2852277

    @ilinix: 吹出来

  5. 卤鸡屁股
    @3 years ago
    2852283

    属于人类的究极梦想之一:无限的清洁能源。

  6. 游客君
    @3 years ago
    2852292

    目测自行车里塞反应堆
    “哎呀这孩子他妈年纪轻轻,死的真惨,听说开着开着就炸了”

  7. 星陨如雨
    @3 years ago
    2852300

    可控核聚变可以带来近乎于无限的能源,之后粮食产量都会大幅度提高,之前还有人说能源是有限的。

  8. 2852304

    我国的核聚变研究现在是卡在超导体材料?

  9. 马赛克
    @3 years ago
    2852326

    我想知道中科院在干嘛

  10. 游客
    @3 years ago
    2852332

    @游客君: 炸不了的啦

  11. 2852354

    其实就算能源是无限的,天空的面积也是有限的,这就决定了任何发动机的输出功率是有上限的。因为任何热机循环的终点都是热量辐射进太空,而一个世界周围的太空和地面一样是有限的。

  12. 2852380

    @王丢兜: 呵呵简述为:散热能力决定可使用功率上限。霍金那本果壳宇宙就有说明了。当然这个结论不是说我们不应该做核聚变,相反更应该用尽全力冲刺核聚变。否则别人先做出来,先发展了,先拥有了星际殖民能力,然后先飞走了,那就剩下没能得到核聚变能力的族群在过热的地狱里挣扎了。

  13. 帝丘
    @3 years ago
    2852382

    如果美国能把用来建一个航空母舰的钱,用来发展核聚变的话,现在可能早就实现了。

  14. 2852383

    @马赛克:

    @马赛克:

    中科院的人都在没日没夜地回答 100 万个你这样的 S x B 的质问。

  15. 2852400

    可以做小型飞船了··

  16. 2852412

    其实核聚变远没有吹得那么好。公众觉得“既然氢弹那么厉害,那么核聚变也应该很厉害了”,可有几个人知道,氢弹的大部分能量来自铀238的裂变?还有人说聚变是清洁能源,没有放射性废渣,但他们有没有说过聚变时会放出穿透力极强的中子流,而中子会把原本正常的物质变成放射性元素?

  17. moonjay
    @3 years ago
    2852420

    @胡安: 人家都说商用了 怎么免费 设备生产制造运行维护 能源的运输调配那个不需要钱的

  18. 2852458

    @James:

    氢弹的大部分能量来自铀238的裂变?
    聚变时会放出穿透力极强的中子流,而中子会把原本正常的物质变成放射性元素?

    这些错误的和带偏见的知识都是谁灌输给你的啊 …

  19. 上帝保佑
    @3 years ago
    2852466

    @马赛克: 中科院可能看农科院骗到了经费,正着手研究土豆孢子之类的东西吧

  20. 2852471

    聚变会产生中子。

  21. 2852472

    @James: 是铀235 238是贫铀

  22. 2852476

    中科院也有人在做。
    合肥等离子体物理研究所,成都西南物理研究所都是做这个的。

  23. 胡安
    @3 years ago
    2852490

    @moonjay:
    现有火电核电水电一样要钱来维护
    可控核聚变实现之后你猜这些东西有多少要被淘汰掉?
    能省下多少预算?

    当某样东西足够便宜,而且其花费能在其他方面得到补充,那么它就有可能会变成免费的
    你下载东西,那些服务器要不要耗电?….互联网节点建设要不要花钱?…..
    然而均摊到每个人身上足够便宜了,所以你下载东西很大程度上是不用花钱的
    而且别忘了你交的网费,这套餐那套餐,也是可以弥补这个消耗的
    所以我想象中那种免费,就像是现在城市里公路一样,政府用税金来维护,你只要按时交税,什么时候想在马路上走走或是骑个车都是免费的

  24. 2852492

    @ss:

    三相弹通过裂变引发聚变,聚变产生的大量中子进一步引发壳层的铀238,大大增加爆炸威力。

    所以 “氢弹的大部分能量来自铀238的裂变?” 这句话本身是没错的。

    但这就象 “中国公民有游行集会的自由” 一样。确实是宪法规定的,但当你碰到一个外星人,你这么向它介绍,就是一种忽悠。

    三相弹的设计只是一种工程需要,并不是聚变的原理问题。

  25. 2852501

    @James:
    氢弹有核污染,因为它外面包了个原子弹,用原子弹的裂变来触发里面的聚变,但作为能源搞的是可控核聚变,不需要裂变反应参与。

    话说这都什么常识啊…简而言之:
    核聚变就是太阳里面的反应,跟爆原子弹的核聚变原理不同。
    核聚变的原料是氢的同位素氘和氚,海水里到处都是,储量简直无限。
    核聚变不会产生放射性污染,不然大家晒个太阳就晒死了。
    核聚变效率比现有的裂变反应堆效率高得多。
    核聚变不会产生废渣,反应生成的是氦,安全无害。
    所以,可控核聚变是大家想尽力实现的未来理想能源,假如大量建成,至少数百年内不愁能源问题了。

  26. 2852509

    @hocky:

    目前现实可行的聚变方案,确实会产生大量中子,导致聚变堆的内壁产生放射性。但这问题不太严重。

    直接氦 3 聚变最清洁,但反应极度困难,目前做不到发电。

    静电约束装置已经可以实现氦 3 聚变,只是原理上不太可能做到输出正功率。

  27. 2852539

    核聚变发电的难不在于在地球上制造太阳,而是难在在地球上制造单位功率是太阳内核百倍的东西

  28. 2852618

    @nfcv: 太阳的功率密度真是弱爆了,一只暖宝宝都完爆太阳好几个数量级

  29. 筋鼓棒
    @3 years ago
    2852621

    冷聚变

  30. 2852632

    看来我要多说几句才能解释清楚:

    1 核聚变原料来源很丰富吗?也对也不对。目前唯一可行的是氘氚聚变,氘的含量是普通氢的万分之1.4,看起来不多,但考虑到氢的丰富来源,这已经很多了,所以氘可以称为“储量丰富”。但氚是放射性元素,半衰期只有14年,地球上的氚加起来也不过几千克,想收集起来根本不可能。所以氚只能通过核反应制造,而且要边造边用。氢弹里的氚是用锂6通过中子照射产生的,中子来自核裂变。对于氢弹来说,这足够用了。但发电用的核原料和氢弹根本不是一个数量级,怎么持续制造出如此大量的氚,就是一个问题。

    2 核聚变很干净吗?也对也不对。氘氚聚变产生一个氦核和一个中子,氦核是没有放射性的,但中子具有很强的穿透力,而且被原子核吸收以后有可能制造出放射性同位素。另一方面,氚本身就是放射性的。

    3 核聚变怎么维持?不能维持。大家都知道核裂变有一个“链式反应”,可以自己维持。但核聚变没有。核聚变产生的中子带走了大量的能量,使得核聚变无法自行维持。必须从外界持续提供高压环境才能维持核聚变。这就是核聚变如此困难的原因。

  31. 2852633

    4 为什么几十年前就造出了氢弹,核聚变却至今也没个准信?因为氢弹的主要能量来源是核裂变。氢弹爆炸分三个过程:1)原子弹爆炸产生大量中子和X射线,这部分产生的能量最少,主要用于引爆;2)中子把锂6变成氚,X射线对氘氚混合物进行加热压缩,产生数百亿个大气压的压力,核聚变开始。这部分产生的能量多一些,但不是最主要的能量源;3)核聚变产生大量中子,中子射到外层的铀238壳上,铀238吸收中子发生核裂变,产生一半以上的能量。可见,最主要的能量源是铀238裂变(注意不是铀235,因为这里不需要慢中子引发链式反应,只需要快中子),而不是氘氚聚变。氘氚聚变的最大功劳在于提供中子引爆铀238,其次才是为爆炸提供能量。

    核聚变也许是人类未来的希望,但它依然存在无法解决的困难。最大的难题就是这个反应不能自持,因此需要持续的外界能量注入。而且大量的能量被中子带走,中子不能发电,却带来放射性问题。

  32. 2852634

    @hocky: 是你的常识有些问题,当然这不怪你,多年来媒体都是这么教的,很少有人知道错误:

    1 在氢弹中,作为引信的原子弹和聚变材料是上下放置的,并不是包在里面。氢弹的核污染并非来自引信原子弹,而是作为第三级(也是最大的能量来源)的铀238裂变,没错,是铀238;

    2 海水里只有氘,没有氚。氚是放射性元素,半衰期很短,只能人工制造,而且基本上是边造边用;

    3 太阳没有放射性污染是因为太阳的核反应发生在核心,放射出的能量需要数万年才能到达地球,而其它放射性元素根本没可能离开核心。此外,地球大气的电离层和臭氧层过滤了阳光中大部分有害的紫外线、X射线、伽玛射线;

    4 核聚变除了产生氦以外,还会产生中子。氦当然无害,但中子却是非常危险的物质,为什么?因为任何原子核里如果打入足够的中子都会产生放射性。比如氘里打入一个中子就变成放射性,氦核里打入一个中子也会变成放射性;

  33. 2852637

    @dfdf: 我想知道错误在哪里。氢弹中有一半的能量来自铀238裂变,再加上第一级裂变引信,说“大部分”有错误吗?氘氚聚变时会放出大量中子,而且是携带高能量的快中子(利用动量平衡和能量平衡计算一下就知道了),而中子打入任何原子核里都有可能产生放射性同位素,这话又有什么偏见?

  34. daydream
    @3 years ago
    2852641

    都还没实现就先扯小型化,呵呵

  35. 2852651

    记得有个关于核聚变的冷笑话:核聚变是未来的能源。

    大概是太难了,太遥远的未来,所以在冷战时期,美苏有合伙做国际热核聚变实验反应堆项目,而现在的中、印、日等也参与了那个项目。

  36. 2852874

    @James: 铀238又不是必须的,大沙皇用的就是铅

  37. 过客007
    @3 years ago
    2852893

    @James: 你一直在忽视一个问题:核聚变难道只有氘氚反应这一种吗?远远不只吧!
    说核聚变是清洁、低辐射、无放射性废料的,肯定不是指的氘氚反应,而是在太阳内部占主导的四个氢原子最终聚变成氦原子的反应。
    之所以现在先研究氘氚,是因为这个相对简单。研究新的事物往往都是从易到难的,但这并不意味着因为容易方法有很大缺点就无视进一步研究的潜力。当初蒸汽机可是烧煤炭的,今天看来其缺点数不胜数,可没有烧煤的蒸汽机,会有今天先进的内燃机什么的吗?
    很多人只知道海水里氢元素储量丰富,但有没有人知道,宇宙中可见物质中最丰富的元素及其含量是多少吗?又有人知道,直径为地球18倍的太阳系最大行星木星的主要组成元素是什么吗?

  38. 过客007
    @3 years ago
    2852921

    @James: 你的偏见点:1、这里讨论的是可控核聚变作为能源的研究,你却提涉及到核聚变的核弹技术的缺点,并且,这缺点并不会出现在当前的可控核聚变研究所中。这就好比,有两个人发生争执,一个人怀疑另个一个张的人偷了他的东西,这时候你在旁边冷不丁说了一句:“听说前几天一个也是姓张的江洋大盗被抓了呢。”
    2、“中子打入任何原子核里都有可能产生放射性同位素”,核聚变技术并不是无辐射,只是其辐射比起目前在使用的裂变技术低。这里问题的关键点就是在辐射的量。你自己也说,“可能”产生放射性,那么,1、产生多少放射性呢?要知道天然大理石也是有辐射的呢!2、是否能够控制住减少对外界产生影响呢?我想,即使真的研究成功了核聚变堆迷你化,大概也不会有很多人想要随身带个用来把玩吧!

  39. sandersyao
    @3 years ago
    2853010

    到时候的汽车爆炸案肯定甚为恐怖

  40. 2853058

    你们在这里装B冒充专家说核聚变不可能成功的时候,美国人已经在成功的边缘上了。美国人有一个办法,用的不是托克马克的方法。看起来比托克马克的更有工程上的可行性。我估计他们那种玩法,10年内就会成功商用。

    可控核聚变成功商用的话,能源价格大幅度降低,基本上就会使人类社会进入乌托邦。

  41. 2853090

    @James:

    前苏联爆炸的世界最大大沙皇,壳层采用无放射性的铅,大约 97% 的能量来自核聚变。

    238 不是必需的,只是一种适合炸弹工程选择,和造反应堆没有必然联系。

  42. 未央
    @3 years ago
    2853196

    @胡安: 核聚变电站和现在的火电风电一样也是要维护的。互联网可不便宜,开个网页看看你就知道了,很大一部分所谓的便宜是有广告商埋单的再次就是看上去免费的盗版软件,那也是有广告的

  43. 2853692

    @sdf: 沙皇炸弹是按照一亿吨当量设计的,后来发现没有地方可以引爆,才把外壳换成铅,当量顿时降到一半,这不正好验证了我说的“一半能量来自铀238”吗?我什么时候说过铀238是必须的了?中子弹也没有铀238,直接靠核聚变的中子流杀人。但是正常的武器级氢弹都是靠核裂变来提供大部分能量的。

  44. 2853696

    @abc: 不就是国家点火装置吗,等几年看看到底谁在吹,还有那东西到底是用来发电还是用来测试核武器。

  45. 2853702

    @过客007: 可行的只有氘氚聚变这一种。太阳内部是质子-质子链反应,光是第一步氕变成氘就没可能在地球上做到,后续的反应是氦3聚变,所需温度是氘氚聚变的几十倍,你觉得可行性在哪里?至于碳氧氮循环,在太阳核心都实现不了,地球上就更不用提了

  46. King5268
    @3 years ago
    2853894

    @sandersyao: 玩下《辐射3》就知道了,哈哈,每辆汽车残骸都是个小型核炸弹。

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