【第3期】「核能」最熱門理念:一種更便宜、更快的核聚變方法

2020-12-05 騰訊網

高密度等離子聚焦技術可以提供一種更簡單、更安全、更經濟的核能形式

LPPFusion的稠密等離子體聚焦聚能裝置特寫圖。圖片來源：LPPFusion

這是系列中的第3篇。請在此閱讀第1部分和第2部分。

第1部分：「核能領域」最熱門理念：稠密等離子焦點，一種廉價的核聚變方式

第2部分：【原理篇】核電未來焦點：稠密等離子焦點是如何工作的

本系列第1部分和第2部分介紹的埃裡克·勒納（Eric Lerner）利用稠密等離子體焦點（DPF）進行核聚變的方法，其最顯著的特點之一是使用氫和硼作為燃料的可能性。筆者將在之後的系列文章中，對氫硼雷射聚變反應堆的這一共有特性詳細介紹。

為什麼選擇氫-硼燃料，與氘-氚燃料相比有哪些優勢？

除此之外，氫和硼原子核之間的聚變反應是無中子反應：不產生中子，只產生帶電的α粒子。這使得DPF與主流核聚變技術相比具有巨大的潛在優勢，因為主流核聚變技術的設計都是採用氫同位素氘（D）和氚（T）的混合物作為燃料。

這包括傳統的雷射核聚變——以美國的國家點火裝置為典型代表和（估計）價值400億美元的國際環面實驗反應堆(ITER)，後者已被定為未來核聚變發電廠的先驅。

就所需的物理條件而言，氫-硼反應在DPF的潛在能力範圍內，已經遠遠超出了主線系統的預計能力。它所需要的工作溫度至少是幹線系統所希望達到的溫度的十倍以上。因此，他們不得不使用 "更容易 "的D-T反應（氘-氚反應）。

不幸的是，D-T反應大約80%的能量以高能中子的形式釋放出來。這就導致了一系列問題。

作為電中性粒子，中子很容易穿透周圍物質中的原子核，使其中一部分具有放射性。此外，產生的強烈中子通量會嚴重損害反應堆的暴露部分。

氫-硼反應示意圖。來源： hb11.energy

與裂變反應堆的放射性廢物問題相比，反應堆材料的誘導放射性所造成的問題幾乎是微不足道的；然而，以D-T燃料為基礎的核聚變發電廠將需要處理、回收和（很可能）中期儲存 "活性 "材料的系統。中子誘發的放射性問題給核聚變電站的建設、維護和運行帶來了額外的成本和複雜性。

另一方面，DPF在將核聚變反應的能量輸出轉化為經濟上可用的形式(尤其是電能)方面的優勢或許更為顯著。目前還沒有已知的實際方法可以將強中子輻射的能量直接轉化為電能。

由於大部分聚變輸出是以中子的形式出現的，因此利用D-T燃料的反應堆必須利用中子被 "燃燒室 "周圍合適的材料吸收時產生的熱量。然後，這些熱量必須轉移到冷卻系統和熱交換器，最後用於驅動渦輪發電機。這種老式的火力發電方案大大增加了未來核聚變電站的體積和費用。

對於DPF系統來說，情況則完全不同，筆者在本系列的前幾期中已經介紹過。這個系統依靠自然的自組織過程，將放電能量集中到一個叫做"等離子體"的微小緻密結構中，在那裡可以達到氫硼聚變的條件。

那麼，DPF是如何直接轉換為電能的？

假設有可能從DPF獲得足夠數量的聚變反應，那麼我們如何以一種可用的形式提取所產生的能量——比如說，電能？在這裡，大自然再次為我們工作，並實現了這一點。

人們早就知道，DPF放電會產生強大的、定向的電子和離子束。事實證明，這些光束起源於"等離子體"本身，並在其生命的末期所產生的。在這一點上，一種新的不穩定性發生了，它破壞了等離子體中的電流，並產生了強烈的電場。離子和電子沿該裝置的軸線以相反方向被加速到高速。離子束包含了氫-硼反應釋放的α粒子。

當然，這裡說的是單個極短的脈衝，而不是連續的光束。

完整視頻：【設備原理】聚焦核聚變：直接將核能轉化為電能

將離子束和X射線發射直接轉化為電能。 照片：LPPFusion提供

將離子束能量轉化為電能的技術已經存在，在許多粒子加速器設施都在利用這種技術。不幸的是，只有三分之二的質子能量最終進入了離子束。剩餘的大部分以X射線的形式從等離子體中發射出來。

在這裡，基本物理學(以所謂的光電效應)提供了解決方案： X射線將電子從金屬中撞擊出來，從而產生電能。LPPFusion利用這一原理開發了一項專利X射線轉換技術。

從產生的總電能中，有一部分用於為提供放電的電容器充電，並覆蓋各種其餘的部分則以淨輸出的形式輸送到電網、工業生產等領域。

在LPPFusion預計的DPF電廠中，放電-充電循環將每秒重複200次，達到5兆瓦的淨輸出功率。當然，這是以DPF能夠從核聚變反應中產生必要的淨能量為前提的。

現階段分析：DPF還有哪些仍未解決的問題

儘管DPF達到了創紀錄的溫度，但它離實現淨能源生產還有很長的路要走，這意味著核聚變反應釋放的能量要比投入設備的能量多。

直到勒納（Lerner）和他的小組所做的工作，還沒有人通過利用筆者剛才描述的自組織過程，來系統地努力優化核聚變的輸出。乍一看，這一挑戰似乎是令人生畏的：要達到 "盈虧平衡 "的目標，每一次放電釋放的聚變能量必須增加12萬倍。

這聽起來是一個很大的因素。但事實證明，只要在幾個關鍵參數上進行適度的改進，就能達到這一目標。當然並不能完全保證，但這個目標在相對短期內似乎是可以實現的。

勒納（Lerner）和他的團隊正在追逐一個明確的路線圖。關鍵的任務是提高"等離子體"的密度，最重要的是通過改善纖維在融合點的對稱性，並使通過器件的電流增加一倍。

預計在今年年底前，可以達到"等離子體"密度提高100倍的要求，之後再轉而使用氫硼燃料。（到目前為止，其實驗採用的是氘）。

LPP Fusion的結果——標明"聚焦核聚變"（Focus Fusion）——在所謂的勞森標準"Lawson criterion"（上）和聚變輸出能量與輸入設備的能量之比，即所謂的壁塞效率"Wall Plug Efficiency"（下）方面與其他領先的聚變設備進行了比較。DPF的性能幾乎可以與價值20億美元的歐洲聯合環面（JET）實驗（ITER的前身）相媲美。數據和圖片由LPPFusion提供。

如果一切順利，工程和原型開發階段可能在明年開始。該設備在時間和成本方面的主要優勢在於，它不需要大規模擴大。商業版DPF的尺寸將與目前的實驗版基本相同。

顯然，勒納（Lerner）已經成功地讓人們對這個項目產生了極大的興趣，以至於正在進行的實驗工作的很大一部分費用都是通過投資眾籌來籌集的。目前有超過750名投資者。

Eric Lerner博士（上圖）和團隊成員Syed Hassan博士正在安裝新的真空室，Ivy Karamitsos正在組裝陽極。圖片來源：LPP Fusion公司

話雖如此，但很顯然，缺乏更充足的資金是目前阻礙項目發展的主要因素。

未來，筆者將有一篇文章討論DPF在天文尺度上能教給我們什麼，包括類星體和星系團等天體。在之後還將發表關於Eric Lerner的採訪，介紹DPF項目和他的其他科學工作。

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撰寫：GolevkaTech

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