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核聚變反應堆一定龐大和昂貴?

2019-08-13 09:55:36  來源:科學大院

可控核聚變,可以帶來清潔和近乎無限的能源供應,一直都被寄予“解決全球能源問題”的期望。但是,人類奮斗了幾十年,商用核聚變能源還是離我們很遙遠。這是為什么?

可控核聚變(圖片來源:https://bbs.tiexue.net/post2_13456570_1.html)

可控核聚變(圖片來源:https://bbs.tiexue.net/post2_13456570_1.html)

除了技術上的種種難度,成本問題也是不容忽視的。在法國南部建造的國際熱核聚變實驗堆(ITER)很龐大,高29米,直徑28米,重2300噸。2011年5月,預算測算已經漲至大約160億歐元,建設成本幾乎是最初估計的4倍。

未來的聚變堆能否不再龐大和昂貴?核聚變未來的發展方向是什么?也許是更強的磁場。

什么是核聚變?

太陽的能量來自核聚變反應。根據愛因斯坦的質能關系E=mc2,質量損失,可釋放出巨大能量。平均一克氘氚核聚變燃料產生的能量相當于燃燒8噸汽油的能量。

 核聚變原理(圖片來源:http://pic.baike.soso.com/p/20140610/20140610164054-835258347.jpg)

核聚變原理(圖片來源:http://pic.baike.soso.com/p/20140610/20140610164054-835258347.jpg)

聚變能燃料豐富。海水中含有大量的核聚變燃料——氫的同位素“氘”。一升海水中含30毫克氘,所含的氘完全聚變所釋放的能量相當于燃料340升汽油的能量。海水中氘的總量約40萬億噸。按目前世界消耗的能源計算,海水中氘的聚變能可用幾百億年[1]。

聚變能清潔、安全。核聚變不產生直接放射性核廢料,產物是不具有放射性的氦氣,具有固有的安全性;不產生二氧化碳等大氣污染物;非常容易通過熄滅等離子體的方法快速終止核聚變反應,不存在反應失控的危險。因此,核聚變是解決人類能源危機,戰勝環境污染問題的重要途徑。

但是,可控核聚變的難點,在于兩個問題。一,如何將聚變材料加熱到上億度的高溫?二,用什么容器來裝溫度這么高的聚變材料?

對于第二個問題,目前的主流方法是把聚變燃料做成等離子體(原子核和電子分離,都可以自由流動),用超強磁場約束等離子體,讓它們懸空高速旋轉,不跟容器直接接觸。

未來以聚變堆為核心建造GW量級的大型發電站(圖片來源:[2] )

未來以聚變堆為核心建造GW量級的大型發電站(圖片來源:[2] )

托卡馬克: 甜甜圈實現核聚變

托卡馬克裝置利用螺旋形磁場約束高溫等離子體,使其不與裝置的內壁直接接觸,實現核聚變反應,被稱為“人造太陽”,是人類最有希望實現聚變能和平利用的科學途徑。

粉紅色的區域是托卡馬克里的等離子體,類似一個甜甜圈的形狀。(圖片來源:http://www1.cfi.lu.lv/teor/main.html)

粉紅色的區域是托卡馬克里的等離子體,類似一個甜甜圈的形狀。(圖片來源:http://www1.cfi.lu.lv/teor/main.html)

人類探索受控核聚變始于上世紀50年代。自從前蘇聯發明了托卡馬克,磁約束核聚變研究便進入了高歌猛進的時代。大家都知道個人電腦CPU芯片的更新速度很快,但大家并不知道,近50年,托卡馬克等離子體的性能提升速度比CPU芯片還要快。

托卡馬克等離子體的性能提升速度比CPU芯片還要快(圖片來源:作者提供)

托卡馬克等離子體的性能提升速度比CPU芯片還要快(圖片來源:作者提供)

目前托卡馬克裝置所獲得的等離子體參數距離聚變堆條件還有一步之遙。其它的磁約束裝置,除了仿星器與球形托卡馬克之外,在參數上都還有量級上的差距。

上世80年代,國際上建成了三個較大的托卡馬克裝置:美國的TFTR,歐盟的JET和日本的JT-60U[4]。

(圖片來源:作者提供)

(圖片來源:作者提供)

1996年,日本JT-60U達到等效能量得失相當,即聚變產出的能量超過了輸入的能量;這個裝置曾達到4億度的中心離子溫度[5]。1997年,JET獲得聚變功率16.2兆瓦[6]。這些實驗證實了核聚變作為能源原理上的可行性。

受到TFTR,JET和JT-60U實驗結果的鼓舞,上世紀80年代,國際上啟動了ITER計劃[7]。幾個大國聯合起來建造一個很大的超導托卡馬克裝置,計劃產生超過Pfusion~500兆瓦的氘氚聚變功率,實現產出的能量10倍于輸入的能量(聚變增益Q~10),演示聚變能成為未來商用清潔能源的可行性。ITER是僅次于國際空間站的第二大國際科技合作項目,是中國參加的最大的國際科技合作項目。

國際熱核聚變實驗堆(圖片來自http://www.iter.org/)

國際熱核聚變實驗堆(圖片來自http://www.iter.org/)

強磁場:

人類獲得緊湊型商用聚變堆的關鍵

磁約束聚變裝置主要靠磁場來約束高溫等離子體。托卡馬克聚變堆單位體積的聚變功率密度正比于磁場強度的4次方[8]。

如果磁場強度上不去,就只能通過提高體積的方式來獲得所需的聚變功率。可見,提高磁場強度B是縮小托卡馬克聚變堆尺寸R的關鍵。但是超導臨界電流密度的限制使得低溫超導線圈所能達到的最高磁場強度非常有限。低溫超導體,如鈮三錫和鈮鈦,當電流密度超過一定的值就會失去超導態,這使得鈮三錫和鈮鈦磁體分別最高只能達到Bmax=13.5T和8T。此外,低溫超導材料需要工作在4.5K以下的極低溫條件下,只能用液氦冷卻,而氦是一種較為稀缺的資源[4]。

ITER采用鈮三錫超導磁體,等離子體中心最高磁場強度只能達到B0=5.3T,這時線圈的高場側達到13T [7]。因此,要達到500兆瓦聚變功率的目標,科學家不得不將ITER設計得很大,等離子體大半徑R=6.2米。而托卡馬克裝置的成本,除去核系統,大致正比于R3。因此,ITER的成本降不下來。可見,正是因為ITER采用了低溫超導線圈,才如此龐大和昂貴。要降低成本,減小裝置尺寸,最有效的辦法就是增強磁場。

用銅線圈可以實現更強的磁場,最高磁場強度Bmax可超過20T,等離子體中心磁場B0可達~10T。但是因為銅線圈通電會發熱,在最高參數下每次只能運行20秒左右的時間,因此銅線圈托卡馬克只能短脈沖運行。

美國麻省理工學院(MIT)前年關掉的一個用液氮冷卻的銅線圈小型托卡馬克Alcator C-Mod可以達到11T[9]。這個裝置雖然小,但是保持著磁約束等離子體壓強的世界紀錄。

Alcator C-Mod(圖片來源:維基百科)

Alcator C-Mod(圖片來源:維基百科)

高電導率鈹銅的市場價格大約是200元/公斤。而低溫超導鈮三錫線圈的結構和工藝相對復雜很多,價格大約是1萬元/公斤。液氮冷卻的銅線圈是實現強磁場托卡馬克最廉價的方式,可以以最低的成本達到核聚變“點火”所需的等離子體參數條件,為開展燃燒等離子體物理研究提供實驗平臺。

從系統復雜度的角度,銅線圈托卡馬克比低溫超導托卡馬克低一些,因此發生故障的概率也低一些。但由于其只能短脈沖運行,因此注定只能作為實驗裝置。相比而言,超導線圈的電阻很小,消耗的能量很低,只有超導裝置才能產生凈余的能量,并可以實現穩態運行。未來聚變堆需要穩態運行,持續不間斷地向電網輸送電能。因此超導裝置是核聚變作為能源應用的必由之路。

高溫超導強磁場線圈:

商用聚變能不再遙遠

通過上面的介紹,可以看到,磁約束聚變界面臨這樣一個局面:低溫超導線圈的磁場強度限制使得不得不建ITER這么龐大和昂貴的裝置;而可以達到10T強磁場的廉價銅線圈裝置卻不能作為能源,只適合作為實驗裝置和聚變中子源。在山窮水復疑無路的時候,核聚變研究領域之外的一場新技術變革正在悄然來臨,這就是高溫超導強磁場技術。它將徹底改變磁約束聚變的游戲規則。

 高溫超導導線的工作溫度、臨界電流密度、最高磁場強度參數范圍改變(圖片來源:[8])

高溫超導導線的工作溫度、臨界電流密度、最高磁場強度參數范圍改變(圖片來源:[8])

高溫超導導線的工作溫度、臨界電流密度、最高磁場強度參數范圍比低溫超導導線有了很大的擴展[11]。不僅可以工作在更高的溫度下,而且當在低溫下工作時,可以達到更高的電流密度,因此可以實現更強的磁場。

采用更強的磁場不僅可以減小聚變堆的尺寸和造價,而且還有其它多方面的好處[11]。

強磁場可以使托卡馬克運行在:

1、較大邊界安全因子條件下,將顯著降低等離子體發生大破裂的風險,大破裂是托卡馬克的主要弱點之一;

2、小幅度邊界局域模(ELM)高約束模式下,避免大幅度ELM產生的瞬態熱負荷對偏濾器靶板的侵蝕;

3、較高密度條件下,有利于提高聚變功率和對高能粒子的約束,并有利于偏濾器進入脫靶狀態,降低熱流對靶板的侵蝕;

4、先進托卡馬克(AT)運行模式下,有利于實現高性能穩態運行。

2019年6月12日,Nature期刊報道美國國家強磁場實驗室用YBCO高溫超導和銅的混合磁體實現了45.5T的穩態強磁場世界紀錄[12]。而MIT一直沿著緊湊型強場托卡馬克這條主線發展,最先看到了高溫超導強場這一發展趨勢。雖然Alcator C-Mod裝置被關掉了,但是近兩年MIT積極探索了一系列的創新技術[15],比如:基于二代高溫超導帶狀導線REBCO,設計了聚變功率Pfusion>50兆瓦、聚變增益Q>2的小型聚變試驗堆SPARC[16]和聚變功率Pfusion>200兆瓦、聚變增益Q>10的聚變商業示范堆ARC[14]等。

從ITER到ARC到SPARC,反應堆的尺寸一直在縮小(圖片來源:[8] )

從ITER到ARC到SPARC,反應堆的尺寸一直在縮小(圖片來源:[8] )

SPARC設計磁場B0=12T,等離子體大半徑只有R=1.65米,等離子體體積只有11立方米,與EAST差不多,是ITER的1/80。雖然這么小,但是預計可以實現燃燒等離子體。MIT得到了私營公司Commonwealth Fusion Systems(CFS)的資助。一期投資8千萬美元,主要用于研發高溫超導線圈[11]。

ARC設計磁場B0=9.2T,等離子體大半徑R=3.3米,等離子體體積140立方米。預計造價55億美元。之所以這么貴,主要是因為目前高溫超導導線還很貴。

未來的中國超導聚變裝置

近幾年,高溫超導的產業化發展迅速。不僅美、日、韓、德有多家企業,國內,上海超導和蘇州新材料研究所都已研制成功千米級二代高溫超導帶狀導線REBCO,并實現了商業化銷售。但目前價格還比較貴,大約200元/米。高溫超導線圈的成本比低溫超導線圈高了一個數量級。但因為高溫超導有廣泛的應用領域,如直流輸電、超導磁懸浮列車、超導電機、超導發電機、超導變壓器、超導故障電流限制器、超導電纜,以及高磁場核磁共振成像NMR/磁共振成像MRI等,市場需求潛力巨大。

考慮到目前高溫超導線圈的技術水平和成本,比較適合建造小型的托卡馬克、仿星器或磁鏡等穩態磁約束聚變實驗裝置,瞄準穩態運行目標,并及時啟動高溫超導聚變堆設計的國家計劃。未來10年,隨著高溫超導產業化的發展和成本的降低,用高溫超導線圈建造聚變堆將變得現實。

我國的“人造太陽”(EAST超導托卡馬克)

我國的“人造太陽”(EAST超導托卡馬克)

我國的可控熱核聚變實驗裝置“東方超環”(EAST超導托卡馬克)的科研人員近期發現了Grassy ELM高性能穩態運行模式的形成機理[G。 S。 Xu et al。, PRL 122, 255001 (2019)]。有望將這種運行模式應用于未來強磁場穩態托卡馬克核聚變反應堆,解決瞬態熱負荷問題。

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