“核能”最热门理念：一种更便宜、更快的核聚变方法

Techpai 7月 24, 2020 2.99w 浏览 0

高密度等离子聚焦技术可以提供一种更简单、更安全、更经济的核能形式

这是系列中的第3篇。请在此阅读第1部分和第2部分。

本系列第1部分和第2部分介绍的埃里克·勒纳（Eric Lerner）利用稠密等离子体焦点（DPF）进行核聚变的方法，其最显著的特点之一是使用氢和硼作为燃料的可能性。笔者将在之后的系列文章中，对氢硼激光聚变反应堆的这一共有特性详细介绍。

为什么选择氢-硼燃料，与氘-氚燃料相比有哪些优势？

除此之外，氢和硼原子核之间的聚变反应是无中子反应：不产生中子，只产生带电的α粒子。这使得DPF与主流核聚变技术相比具有巨大的潜在优势，因为主流核聚变技术的设计都是采用氢同位素氘（D）和氚（T）的混合物作为燃料。

这包括传统的激光核聚变——以美国的国家点火装置为典型代表和（估计）价值400亿美元的国际环面实验反应堆(ITER)，后者已被定为未来核聚变发电厂的先驱。

就所需的物理条件而言，氢-硼反应在DPF的潜在能力范围内，已经远远超出了主线系统的预计能力。它所需要的工作温度至少是干线系统所希望达到的温度的十倍以上。因此，他们不得不使用 “更容易 “的D-T反应（氘-氚反应）。

不幸的是，D-T反应大约80%的能量以高能中子的形式释放出来。这就导致了一系列问题。

作为电中性粒子，中子很容易穿透周围物质中的原子核，使其中一部分具有放射性。此外，产生的强烈中子通量会严重损害反应堆的暴露部分。

与裂变反应堆的放射性废物问题相比，反应堆材料的诱导放射性所造成的问题几乎是微不足道的；然而，以D-T燃料为基础的核聚变发电厂将需要处理、回收和（很可能）中期储存 “活性 “材料的系统。中子诱发的放射性问题给核聚变电站的建设、维护和运行带来了额外的成本和复杂性。

另一方面，DPF在将核聚变反应的能量输出转化为经济上可用的形式(尤其是电能)方面的优势或许更为显著。目前还没有已知的实际方法可以将强中子辐射的能量直接转化为电能。

由于大部分聚变输出是以中子的形式出现的，因此利用D-T燃料的反应堆必须利用中子被 “燃烧室 “周围合适的材料吸收时产生的热量。然后，这些热量必须转移到冷却系统和热交换器，最后用于驱动涡轮发电机。这种老式的火力发电方案大大增加了未来核聚变电站的体积和费用。

对于DPF系统来说，情况则完全不同，笔者在本系列的前几期中已经介绍过。这个系统依靠自然的自组织过程，将放电能量集中到一个叫做”等离子体”的微小致密结构中，在那里可以达到氢硼聚变的条件。

那么，DPF是如何直接转换为电能的？

假设有可能从DPF获得足够数量的聚变反应，那么我们如何以一种可用的形式提取所产生的能量——比如说，电能？在这里，大自然再次为我们工作，并实现了这一点。

人们早就知道，DPF放电会产生强大的、定向的电子和离子束。事实证明，这些光束起源于”等离子体”本身，并在其生命的末期所产生的。

在这一点上，一种新的不稳定性发生了，它破坏了等离子体中的电流，并产生了强烈的电场。离子和电子沿该装置的轴线以相反方向被加速到高速。离子束包含了氢-硼反应释放的α粒子。

当然，这里说的是单个极短的脉冲，而不是连续的光束。

将离子束能量转化为电能的技术已经存在，在许多粒子加速器设施都在利用这种技术。不幸的是，只有三分之二的质子能量最终进入了离子束。剩余的大部分以X射线的形式从等离子体中发射出来。

在这里，基本物理学(以所谓的光电效应)提供了解决方案： X射线将电子从金属中撞击出来，从而产生电能。LPPFusion利用这一原理开发了一项专利X射线转换技术。

从产生的总电能中，有一部分用于为提供放电的电容器充电，并覆盖各种其余的部分则以净输出的形式输送到电网、工业生产等领域。

在LPPFusion预计的DPF电厂中，放电-充电循环将每秒重复200次，达到5兆瓦的净输出功率。当然，这是以DPF能够从核聚变反应中产生必要的净能量为前提的。

现阶段分析：DPF还有哪些仍未解决的问题

尽管DPF达到了创纪录的温度，但它离实现净能源生产还有很长的路要走，这意味着核聚变反应释放的能量要比投入设备的能量多。

直到勒纳（Lerner）和他的小组所做的工作，还没有人通过利用笔者刚才描述的自组织过程，来系统地努力优化核聚变的输出。乍一看，这一挑战似乎是令人生畏的：要达到 “盈亏平衡 “的目标，每一次放电释放的聚变能量必须增加12万倍。

这听起来是一个很大的因素。但事实证明，只要在几个关键参数上进行适度的改进，就能达到这一目标。当然并不能完全保证，但这个目标在相对短期内似乎是可以实现的。

勒纳（Lerner）和他的团队正在追逐一个明确的路线图。关键的任务是提高”等离子体”的密度，最重要的是通过改善纤维在融合点的对称性，并使通过器件的电流增加一倍。

预计在今年年底前，可以达到”等离子体”密度提高100倍的要求，之后再转而使用氢硼燃料。（到目前为止，其实验采用的是氘）。

LPP Fusion的结果——标明“聚焦核聚变”（Focus Fusion）——在所谓的劳森标准”Lawson criterion”（上）和聚变输出能量与输入设备的能量之比，即所谓的壁塞效率”Wall Plug Efficiency”（下）方面与其他领先的聚变设备进行了比较。DPF的性能几乎可以与价值20亿美元的欧洲联合环面（JET）实验（ITER的前身）相媲美。数据和图片由LPPFusion提供。

如果一切顺利，工程和原型开发阶段可能在明年开始。该设备在时间和成本方面的主要优势在于，它不需要大规模扩大。商业版DPF的尺寸将与目前的实验版基本相同。

显然，勒纳（Lerner）已经成功地让人们对这个项目产生了极大的兴趣，以至于正在进行的实验工作的很大一部分费用都是通过投资众筹来筹集的。目前有超过750名投资者。

Eric Lerner博士（上图）和团队成员Syed Hassan博士正在安装新的真空室，Ivy Karamitsos正在组装阳极。图片来源：LPP Fusion公司

话虽如此，但很显然，缺乏更充足的资金是目前阻碍项目发展的主要因素。

未来，笔者将有一篇文章讨论DPF在天文尺度上能教给我们什么，包括类星体和星系团等天体。在之后还将发表关于Eric Lerner的采访，介绍DPF项目和他的其他科学工作。[GolevkaTech]

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