核聚变反应堆一定庞大和昂贵?未来可能不是这样

2019-08-13 11:43:33     来源:初心
核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核,并释放出能量的过程。自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素--氘与氚的聚变,这种反应在太阳上已经持续了50亿年。可控核聚变俗称人造太阳,因为太阳的原理就是核聚变反应。

可控核聚变,可以带来清洁和近乎无限的能源供应,一直都被寄予“解决全球能源问题”的期望。但是,人类奋斗了几十年,商用核聚变能源还是离我们很遥远。这是为什么?


核聚变反应堆一定庞大和昂贵?未来可能不是这样


除了技术上的种种难度,成本问题也是不容忽视的。在法国南部建造的国际热核聚变实验堆(ITER)很庞大,高29米,直径28米,重2300吨。2011年5月,预算测算已经涨至大约160亿欧元,建设成本几乎是最初估计的4倍。

未来的聚变堆能否不再庞大和昂贵?核聚变未来的发展方向是什么?也许是更强的磁场。


太阳的能量来自核聚变反应。根据爱因斯坦的质能关系E=mc2,质量损失,可释放出巨大能量。平均一克氘氚核聚变燃料产生的能量相当于燃烧8吨汽油的能量。


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聚变能燃料丰富。海水中含有大量的核聚变燃料——氢的同位素“氘”。一升海水中含30毫克氘,所含的氘完全聚变所释放的能量相当于燃料340升汽油的能量。海水中氘的总量约40万亿吨。按目前世界消耗的能源计算,海水中氘的聚变能可用几百亿年[1]。

聚变能清洁、安全。核聚变不产生直接放射性核废料,产物是不具有放射性的氦气,具有固有的安全性;不产生二氧化碳等大气污染物;非常容易通过熄灭等离子体的方法快速终止核聚变反应,不存在反应失控的危险。因此,核聚变是解决人类能源危机,战胜环境污染问题的重要途径。

但是,可控核聚变的难点,在于两个问题。一,如何将聚变材料加热到上亿度的高温?二,用什么容器来装温度这么高的聚变材料?

对于第二个问题,目前的主流方法是把聚变燃料做成等离子体(原子核和电子分离,都可以自由流动),用超强磁场约束等离子体,让它们悬空高速旋转,不跟容器直接接触。


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托卡马克: 甜甜圈实现核聚变

托卡马克装置利用螺旋形磁场约束高温等离子体,使其不与装置的内壁直接接触,实现核聚变反应,被称为“人造太阳”,是人类最有希望实现聚变能和平利用的科学途径。


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人类探索受控核聚变始于上世纪50年代。自从前苏联发明了托卡马克,磁约束核聚变研究便进入了高歌猛进的时代。大家都知道个人电脑CPU芯片的更新速度很快,但大家并不知道,近50年,托卡马克等离子体的性能提升速度比CPU芯片还要快。


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目前托卡马克装置所获得的等离子体参数距离聚变堆条件还有一步之遥。其它的磁约束装置,除了仿星器与球形托卡马克之外,在参数上都还有量级上的差距。

上世80年代,国际上建成了三个较大的托卡马克装置:美国的TFTR,欧盟的JET和日本的JT-60U[4]。


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1996年,日本JT-60U达到等效能量得失相当,即聚变产出的能量超过了输入的能量;这个装置曾达到4亿度的中心离子温度[5]。1997年,JET获得聚变功率16.2兆瓦[6]。这些实验证实了核聚变作为能源原理上的可行性。

受到TFTR,JET和JT-60U实验结果的鼓舞,上世纪80年代,国际上启动了ITER计划[7]。几个大国联合起来建造一个很大的超导托卡马克装置,计划产生超过Pfusion——500兆瓦的氘氚聚变功率,实现产出的能量10倍于输入的能量(聚变增益Q——10),演示聚变能成为未来商用清洁能源的可行性。ITER是仅次于国际空间站的第二大国际科技合作项目,是中国参加的最大的国际科技合作项目。


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强磁场:

人类获得紧凑型商用聚变堆的关键

磁约束聚变装置主要靠磁场来约束高温等离子体。托卡马克聚变堆单位体积的聚变功率密度正比于磁场强度的4次方[8]。


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如果磁场强度上不去,就只能通过提高体积的方式来获得所需的聚变功率。可见,提高磁场强度B是缩小托卡马克聚变堆尺寸R的关键。但是超导临界电流密度的限制使得低温超导线圈所能达到的最高磁场强度非常有限。低温超导体,如铌三锡和铌钛,当电流密度超过一定的值就会失去超导态,这使得铌三锡和铌钛磁体分别最高只能达到Bmax=13.5T和8T。此外,低温超导材料需要工作在4.5K以下的极低温条件下,只能用液氦冷却,而氦是一种较为稀缺的资源[4]。

ITER采用铌三锡超导磁体,等离子体中心最高磁场强度只能达到B0=5.3T,这时线圈的高场侧达到13T [7]。因此,要达到500兆瓦聚变功率的目标,科学家不得不将ITER设计得很大,等离子体大半径R=6.2米。而托卡马克装置的成本,除去核系统,大致正比于R3。因此,ITER的成本降不下来。可见,正是因为ITER采用了低温超导线圈,才如此庞大和昂贵。要降低成本,减小装置尺寸,最有效的办法就是增强磁场。

用铜线圈可以实现更强的磁场,最高磁场强度Bmax可超过20T,等离子体中心磁场B0可达——10T。但是因为铜线圈通电会发热,在最高参数下每次只能运行20秒左右的时间,因此铜线圈托卡马克只能短脉冲运行。

美国麻省理工学院(MIT)前年关掉的一个用液氮冷却的铜线圈小型托卡马克Alcator C-Mod可以达到11T[9]。这个装置虽然小,但是保持着磁约束等离子体压强的世界纪录。


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高电导率铍铜的市场价格大约是200元/公斤。而低温超导铌三锡线圈的结构和工艺相对复杂很多,价格大约是1万元/公斤。液氮冷却的铜线圈是实现强磁场托卡马克最廉价的方式,可以以最低的成本达到核聚变“点火”所需的等离子体参数条件,为开展燃烧等离子体物理研究提供实验平台。

从系统复杂度的角度,铜线圈托卡马克比低温超导托卡马克低一些,因此发生故障的概率也低一些。但由于其只能短脉冲运行,因此注定只能作为实验装置。相比而言,超导线圈的电阻很小,消耗的能量很低,只有超导装置才能产生净余的能量,并可以实现稳态运行。未来聚变堆需要稳态运行,持续不间断地向电网输送电能。因此超导装置是核聚变作为能源应用的必由之路。

高温超导强磁场线圈:

商用聚变能不再遥远

通过上面的介绍,可以看到,磁约束聚变界面临这样一个局面:低温超导线圈的磁场强度限制使得不得不建ITER这么庞大和昂贵的装置;而可以达到10T强磁场的廉价铜线圈装置却不能作为能源,只适合作为实验装置和聚变中子源。在山穷水复疑无路的时候,核聚变研究领域之外的一场新技术变革正在悄然来临,这就是高温超导强磁场技术。它将彻底改变磁约束聚变的游戏规则。


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高温超导导线的工作温度、临界电流密度、最高磁场强度参数范围比低温超导导线有了很大的扩展[11]。不仅可以工作在更高的温度下,而且当在低温下工作时,可以达到更高的电流密度,因此可以实现更强的磁场。

采用更强的磁场不仅可以减小聚变堆的尺寸和造价,而且还有其它多方面的好处[11]。

强磁场可以使托卡马克运行在:

1、较大边界安全因子条件下,将显著降低等离子体发生大破裂的风险,大破裂是托卡马克的主要弱点之一;

2、小幅度边界局域模(ELM)高约束模式下,避免大幅度ELM产生的瞬态热负荷对偏滤器靶板的侵蚀;

3、较高密度条件下,有利于提高聚变功率和对高能粒子的约束,并有利于偏滤器进入脱靶状态,降低热流对靶板的侵蚀;

4、先进托卡马克(AT)运行模式下,有利于实现高性能稳态运行。

2019年6月12日,Nature期刊报道美国国家强磁场实验室用YBCO高温超导和铜的混合磁体实现了45.5T的稳态强磁场世界纪录[12]。而MIT一直沿着紧凑型强场托卡马克这条主线发展,最先看到了高温超导强场这一发展趋势。虽然Alcator C-Mod装置被关掉了,但是近两年MIT积极探索了一系列的创新技术[15],比如:基于二代高温超导带状导线REBCO,设计了聚变功率Pfusion>50兆瓦、聚变增益Q>2的小型聚变试验堆SPARC[16]和聚变功率Pfusion>200兆瓦、聚变增益Q>10的聚变商业示范堆ARC[14]等。


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SPARC设计磁场B0=12T,等离子体大半径只有R=1.65米,等离子体体积只有11立方米,与EAST差不多,是ITER的1/80。虽然这么小,但是预计可以实现燃烧等离子体。MIT得到了私营公司Commonwealth Fusion Systems(CFS)的资助。一期投资8千万美元,主要用于研发高温超导线圈[11]。

ARC设计磁场B0=9.2T,等离子体大半径R=3.3米,等离子体体积140立方米。预计造价55亿美元。之所以这么贵,主要是因为目前高温超导导线还很贵。

未来的中国超导聚变装置

近几年,高温超导的产业化发展迅速。不仅美、日、韩、德有多家企业,国内,上海超导和苏州新材料研究所都已研制成功千米级二代高温超导带状导线REBCO,并实现了商业化销售。但目前价格还比较贵,大约200元/米。高温超导线圈的成本比低温超导线圈高了一个数量级。但因为高温超导有广泛的应用领域,如直流输电、超导磁悬浮列车、超导电机、超导发电机、超导变压器、超导故障电流限制器、超导电缆,以及高磁场核磁共振成像NMR/磁共振成像MRI等,市场需求潜力巨大。

考虑到目前高温超导线圈的技术水平和成本,比较适合建造小型的托卡马克、仿星器或磁镜等稳态磁约束聚变实验装置,瞄准稳态运行目标,并及时启动高温超导聚变堆设计的国家计划。未来10年,随着高温超导产业化的发展和成本的降低,用高温超导线圈建我国的可控热核聚变实验装置“东方超环”(EAST超导托卡马克)的科研人员近期发现了Grassy ELM高性能稳态运行模式的形成机理[G。 S。 Xu et al。, PRL 122, 255001 (2019)]。有望将这种运行模式应用于未来强磁场稳态托卡马克核聚变反应堆,解决瞬态热负荷问题。造聚变堆将变得现实。

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我国的可控热核聚变实验装置“东方超环”(EAST超导托卡马克)的科研人员近期发现了Grassy ELM高性能稳态运行模式的形成机理[G。 S。 Xu et al。, PRL 122, 255001 (2019)]。有望将这种运行模式应用于未来强磁场稳态托卡马克核聚变反应堆,解决瞬态热负荷问题。

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