減少產(chǎn)物中子有望實(shí)現(xiàn)更清潔的核聚變?各核聚變公司正在進(jìn)行新嘗試
根據(jù)聚變工業(yè)協(xié)會(huì)《全球核聚變行業(yè)報(bào)告》,“全球核聚變產(chǎn)業(yè)的投資已增加至 62.1 億美元。目前,全球經(jīng)營(yíng)核聚變業(yè)務(wù)的公司約 43 家[1]?!?/span>
科學(xué)家們正在努力開(kāi)發(fā)可控的核聚變技術(shù),以實(shí)現(xiàn)未來(lái)可持續(xù)的大規(guī)模能源供應(yīng)。最近,一些核聚變商業(yè)公司試圖從無(wú)中子聚變或減少中子的方法推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。
要想了解無(wú)中子聚變,先要從它的作用說(shuō)起。核聚變是一種核反應(yīng),由兩個(gè)輕核聚合在一起形成更重的核。
在核聚變過(guò)程中,輕元素的原子核會(huì)融合成更重的元素,從而釋放出巨大的能量。
在核聚變反應(yīng)中,通常使用氫同位素氘和氚作為燃料。由于氘和氚是氫同位素,當(dāng)它們受到足夠高的溫度和壓力時(shí),會(huì)發(fā)生聚變反應(yīng)。
與此同時(shí),在核聚變過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生超通量的中子。中子在核聚變反應(yīng)中,發(fā)揮著提供能量和促進(jìn)連鎖反應(yīng)的作用。
值得注意的是,控制中子的釋放和捕獲對(duì)于實(shí)現(xiàn)可控核聚變非常關(guān)鍵。在實(shí)驗(yàn)室和未來(lái)的聚變反應(yīng)堆中,需要有效地控制和調(diào)節(jié)中子的產(chǎn)生和釋放,以防止中子輻射破壞反應(yīng)堆壁,以及對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施和附近的生物造成影響。
現(xiàn)在,領(lǐng)域內(nèi)的研究人員正在致力于解決中子的問(wèn)題。他們的方法是將氘氚燃料換成自然界存在的核素,這些元素在融合時(shí)會(huì)釋放帶電粒子,而不是高能中子。
認(rèn)同無(wú)中子聚變方法的人們認(rèn)為,這些設(shè)備最終將更容易制造,并且更適合制造電力系統(tǒng),因?yàn)楦菀讓щ娏W拥哪芰哭D(zhuǎn)化為電能。此外,它們產(chǎn)生很少或者基本不產(chǎn)生放射性廢物。
核工程師、美國(guó)威斯康星大學(xué)名譽(yù)教授杰拉爾德?庫(kù)辛斯基(Gerald Kulcinski)對(duì)媒體表示:“從 20 世紀(jì) 60 年代到 80 年代,人們?cè)谙冗M(jìn)燃料方面做了很多研究?!?/span>
他說(shuō),由于該核反應(yīng)的誘發(fā)的難度約為氘-氚反應(yīng)的 10 倍,因此從 10 年前開(kāi)始,這項(xiàng)研究不受歡迎了。
“考慮到中子對(duì)反應(yīng)堆壁造成的破壞因素,人們又開(kāi)始更多地關(guān)注先進(jìn)燃料。”
TAE:氫-硼核聚變
TAE Technologies 公司是一家位于美國(guó)加利福尼亞州的核聚變能源公司。它成立于 1998 年,目前已獲得 1400 多項(xiàng)專利和超過(guò) 12 億美元的投資。
截至目前,該公司已建成 5 個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的裝置,并成功產(chǎn)生和約束聚變等離子體超過(guò) 14 萬(wàn)次。
在 TAE 看來(lái),將氫和硼(p-11B)作為反應(yīng)燃料不僅清潔,并具備成本優(yōu)勢(shì)。硼具有資源豐富、能源安全的特點(diǎn)。在氫-硼聚合反應(yīng)發(fā)生之后,會(huì)釋放出 3 個(gè)帶正電的氦-4 原子核,也被叫做 α 粒子。
圖丨TAE C-2W(來(lái)源:TAE Technologies)
TAE 設(shè)計(jì)通過(guò)反場(chǎng)構(gòu)型的聚合裝置(Field Reversed Configuration,F(xiàn)RC)來(lái)限制等離子體,這種構(gòu)型能實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)溫度非常高,在 FRC 中,等離子體主要被局限在內(nèi)部磁場(chǎng),而不是依賴外部施加的磁場(chǎng)。
但是,也必須看到,F(xiàn)RC 在歷史上不被看好的聲音也一直存在。一旦等離子體操作不當(dāng),破解了封閉的磁場(chǎng),等離子體也會(huì)冷卻。
最近幾年,TAE 通過(guò)研發(fā)實(shí)時(shí)重塑和重新定位等離子體的方法和硬件,利用 AI 和機(jī)器學(xué)習(xí),來(lái)探索實(shí)現(xiàn)等離子體穩(wěn)定的方法。
TAE Technologies 的 CEO 米希爾?本德鮑爾(Michl Binderbauer)對(duì)媒體表示:“現(xiàn)在我們可以操縱這些電流,并保持它們穩(wěn)定,它的行為與預(yù)測(cè)的完全一致。”
此外,將氫-硼作為核聚變?nèi)剂线€有另一個(gè)顯著的缺點(diǎn),它所需要的條件是超過(guò) 30 億攝氏度的極端溫度。
需要了解的是,該溫度是氘-氚反應(yīng)所需溫度的 20 到 30 倍。很多物理學(xué)家認(rèn)為,在這樣的溫度條件下,電子輻射冷卻等離子體的速度將快于加熱等離子體的速度。
圖丨α 粒子探測(cè)器(來(lái)源:Nature Communications)
2023 年 2 月,TAE 和日本國(guó)家聚變科學(xué)研究所的聯(lián)合團(tuán)隊(duì),創(chuàng)新性地在磁約束聚變等離子體中成功進(jìn)行氫-硼聚變實(shí)驗(yàn),副產(chǎn)品僅為氦。
該研究證明了無(wú)中子聚變的可行性以及對(duì)氫硼的依賴,相關(guān)論文發(fā)表在 Nature Communications[2]。
這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)為我們提供了豐富的數(shù)據(jù)可供使用,并表明氫硼聚變反應(yīng)在大規(guī)模的聚變發(fā)電中占有一席之地。
我們可以解決當(dāng)前的物理挑戰(zhàn),并為全球提供一種依賴這種非放射性、豐富的燃料的革命性的新型無(wú)碳能源?!北镜迈U爾對(duì)媒體說(shuō)。
公開(kāi)資料顯示,TAE 的目標(biāo)是在 2030 年代建立首座氫硼聚變發(fā)電廠并網(wǎng)。
TAE 正在通過(guò) FRC 推進(jìn)一種模塊化、易于維護(hù)的設(shè)計(jì),該設(shè)計(jì)將具有緊湊的占地面積,并有可能利用更高效的磁約束方法。與托卡馬克相比,這種方法的輸出功率有望提高 100 倍。
Helion Energy:使用氘和氦-3 為燃料
Helion Energy 是位于美國(guó)華盛頓州的核聚變公司,他們使用氘和氦-3 作為燃料。氦-3 是一種氦氣同位素氣體,僅占地球可用氦的 0.0001%,并且生產(chǎn)成本極高。
月球表面的氦-3 大約有 110 萬(wàn)噸,一種觀點(diǎn)認(rèn)為,人們最終有可能會(huì)在月球表面開(kāi)采氦-3。但是,Helion Energy 儲(chǔ)備氦-3 的方法和月球無(wú)關(guān),他們打算利用氘-氘反應(yīng)的副反應(yīng)。
氘和氦-3 聚變產(chǎn)生的帶電粒子,可以直接被重新捕獲為電能。這有助于保持 Helion Energy 系統(tǒng)的小巧、高效,使他們能夠以更低的成本、更快地構(gòu)建系統(tǒng)。
這種燃料循環(huán)還減少了中子排放,大大減少了氘氚聚變?nèi)剂涎芯咳藛T面臨的許多工程挑戰(zhàn)。
(來(lái)源:Helion Energy)
截至目前,Helion Energy 生產(chǎn)氦-3 的量并不多。但是,他們已經(jīng)獲得高效封閉燃料循環(huán)專利,并試圖通過(guò)這種專利技術(shù)來(lái)提高氦-3 的產(chǎn)量。
由于不可忽視的高溫條件,庫(kù)辛斯基對(duì)媒體表示:“氘和氦-3 也許是對(duì)氘-氚和 p-11B 的暫時(shí)過(guò)渡。”
值得注意的是,氘和氦-3 反應(yīng)以快中子的形式釋放約 5% 的能量,它不完全是無(wú)中子反應(yīng)。也就是說(shuō),它們不能完全杜絕輻射的危害,只是使相關(guān)危害顯著降低。
Helion 的策略并非持續(xù)地產(chǎn)生反應(yīng),而是通過(guò)設(shè)備以一次脈沖每秒發(fā)出的形式,在中心產(chǎn)生穩(wěn)定的 FRC,并用磁場(chǎng)壓縮等離子體,直到它的溫度和密度達(dá)到聚變。
當(dāng)聚變釋放能量時(shí),促進(jìn)磁場(chǎng)被等離子體向外推動(dòng),核聚變系統(tǒng)通過(guò)磁線圈得到帶電能量。
一些其他的嘗試
澳大利亞初創(chuàng)公司 HB11 Energy,旨在創(chuàng)造清潔、安全、可靠的新能源。該公司通過(guò)高功率激光器與磁約束相結(jié)合來(lái)融合氫和硼。
該方法利用啁啾脈沖放大激光器的超短脈沖(該技術(shù)獲得 2018 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)),來(lái)快速加速氫穿過(guò)俘獲磁場(chǎng)內(nèi)的硼燃料,在它們碰撞時(shí)產(chǎn)生核聚變。
Marvel Fusion 是一家德國(guó)核聚變能源初創(chuàng)公司,在 2019 年成立。該公司正在尋求在納米結(jié)構(gòu)目標(biāo)中使用高能激光和 p-11B 燃料進(jìn)行激光引發(fā)的慣性約束聚變。
最近,Marvel Fusion 和美國(guó)科羅拉多州立大學(xué)合作,在科羅拉多州柯林斯堡正建造世界上最強(qiáng)大的激光設(shè)施之一。
Princeton Fusion Systems 是一家專注于為陸地和太空應(yīng)用開(kāi)發(fā)小型、清潔的聚變反應(yīng)堆的公司。
該公司的 FRC 反應(yīng)堆建立在普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室超過(guò) 15 年的研究和經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上,主要由美國(guó)能源部和美國(guó)國(guó)家航空航天局資助。
他們利用氘和氦-3,并使用射頻加熱形成 FRC 和進(jìn)行等離子體加熱。該公司通過(guò)超導(dǎo)磁體技術(shù),為航天器生產(chǎn)移動(dòng)和便攜式動(dòng)力以及聚變推進(jìn)提供緊湊型系統(tǒng)。
圖丨普林斯頓場(chǎng)反場(chǎng)構(gòu)型 2 號(hào)(來(lái)源:Princeton Fusion Systems)
另一方面,普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室在 Journal of Fusion Energy 報(bào)道了普林斯頓場(chǎng)反場(chǎng)構(gòu)置(Princeton Field-Reversed Configuration,PFRC)核聚變反應(yīng)堆[3]。
這個(gè)概念是一種創(chuàng)新的聚變發(fā)電方法,優(yōu)先考慮降低中子產(chǎn)量和小尺寸。分析建模和數(shù)值模擬的結(jié)合表明,新穎的加熱方法能生成具有閉合場(chǎng)線的 FRC。
無(wú)論未來(lái)發(fā)展的結(jié)果如何,有或沒(méi)有中子的聚變,在全球努力解決氣候危機(jī)的今天,這無(wú)疑提供了一種新的可能性。
來(lái)源:深科技
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