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新技术有望实现终极核聚变,开启一个清洁的无限能源时代

2021-11-19  老胡说科学

没有放射性废料的核能(核聚变)一直是技术上圣杯,它可以彻底改变人类的生活,改变气候变化的趋势。这种划时代的技术在工程学上是一场噩梦。事实证明,几乎不可能制造出本质上是微型太阳的东西,更不用说从中获得任何能量了。但最近的一项技术发展可能会改变这一点,让我们离可使用的核聚变反应堆更近了一步,并由此开启一个清洁、无限能源的新时代。
核聚变是如何发生的?为什么它会如此具有革命性?
有两种类型的核反应,裂变和聚变。裂变是原子分裂的连锁反应,是我们目前的核反应堆的动力。虽然它非常清洁和安全(事实上,核裂变发电仍然是我们目前拥有的最干净和最安全的能源形式),但它会产生一些难以处理的有害的放射性副产品,而且裂变材料的供应是有限的。
核聚变迫使两个原子结合成一个原子。在太阳的核心,温度和压力高到足以迫使氢原子聚集在一起,聚变成氦,在这个过程中,释放出大量的能量!
核聚变是目前能量密度最大的能源。相比之下,一千克煤含有大约230MJ的能量(以燃烧的形式),一千克铀-235含有大约86,400,000MJ的能量(以裂变的形式),但一千克氢含有84,5,000,000NJ耳(以聚变的形式)。这意味着一公斤氢聚变可以为一个普通家庭提供2000万多年的电力。
核聚变也将是迄今为止最环保的能源。它使用少量的燃料来产生巨大的能量,唯一的废物是氦,没有碳排放,没有大量的土地使用(像太阳能和风能),并且核聚变材料相当丰富。核聚变真的可以为人类带来一个清洁能源的新时代。
但核聚变反应需要极高的温度和压力。在太阳的核心,引力使聚变能够自发地发生。但在地球上,需要消耗大量的能量来创造同样的条件。
几十年来,我们已经可以创造出聚变反应条件。两个例子是托马克装置和美国国家点火装置(NIF)。托卡马克使用强大的磁铁在一个环形反应堆中挤压和加热氢。NIF使用强大的激光来“点燃”微小的氢颗粒。但它们都有一个关键问题,即聚变过程中消耗的能量比从聚变过程中提取的能量还要多。
这是开启这一革命性能量来源的关键,创造出一台足够高效的机器,以获得能源净收益。

目前,NIF的反应堆保持着最高效率的记录。2021年8月,NIF成功地从一个聚变反应中提取了70%的能量,比2018年的记录高出8倍!
有了NIF的反应堆,我们可以在三个方面提升效率:激光,颗粒设计和能量提取。
最近,科学家们在颗粒设计和能量提取方面取得了长足的进步。计算机模拟和新材料已经让颗粒设计,压缩和加热其中的氢比以前更均匀,导致了高效和完整的聚变。核聚变释放出的大部分能量是以快速移动的中子的形式产生的,科学家们已经开发出了可以捕获这些粒子的材料,然后可以用来驱动蒸汽涡轮机。我们已经在化石燃料电厂和裂变电厂中使用了超高效率的蒸汽涡轮机,这项技术非常成熟,几乎没有改进的空间。
正是这些进步使得NIF在几个月前的效率达到了令人难以置信的70%。然而,在激光方面,已经很长时间没有突破了。这意味着提高聚变反应堆效率的最重要的机会之一就是激光。最近的一个项目可以提高NIF的激光效率,从而实现净能量增益。
NIF使用高功率红外激光器和一系列复杂的光学元件,将光束转换成频率更高的紫外线,从而迫使氢聚变。
  • NIF目前的激光系统将红外激光器转变为强大的紫外激光器
最近对氟化氩激光器(AfL)的研究表明,它们可能比目前的红外激光器更有效,因为氟化氩激光器发射深紫外线,所以不需要任何光学设备。
相关科学家声称,他们将专门为NIF的反应堆设计AfL,有望将效率提高100倍。如果他们实现了这一目标,那么下一代反应堆将在能源方面实现净收益。
这足够得到一个可用的聚变反应堆吗?
是的,它们可以产生能量,但数量非常少。由于氟化氩激光器极其昂贵,这种低能量输出将阻止它们的商业可行性。
要想让核聚变的产率远远超过100%(输入能量与输入能量比),并接近150%或200%(足以为下一次核聚变提供动力,同时还能提取大量额外的能量),还需要更多的技术飞跃。但即便如此,这些反应堆也需要变得非常可靠。氟化氩激光器一次点燃一个小球(颗粒),所以需要在其生命周期内点燃它数十亿次,才能拥有一个商用反应堆。这是我们目前的技术无法实现的。
但这些进步似乎很快就会到来。在过去的十年里,在效率和可靠性方面的飞跃是惊人的。如果这一趋势继续下去,我们可能会在未来几十年内看到一个具备商业能力的核聚变反应堆。新的反应堆设计,如TAE的硼加速器有望在未来几年超过ICRs。因此,到2030年,我们可能会得到几个可用的聚变反应堆。
这些创新来得正是时候。地球正在碳排放重压下“呻吟”。太阳能和风能技术无法在不破坏环境的情况下为我们提供能源,而用核裂变能源为世界提供能源还存在许多政治问题。毫无疑问,一个运转正常的核聚变反应堆将扭转气候变化的趋势,让我们过上能量密集的21世纪的生活,同时善待地球母亲。


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