美国的核聚变要成了吗?

本文转载自:观雨者的沙龙

作者:谈书

美国的核聚变要成了吗?

当地时间12月13日,美国能源部宣布,激光核聚变取得突破性进展,实现了能量输出/能量输入之比“Q值”大于1。

美国的核聚变要成了吗?

这则新闻立刻轰动全球,国内媒体也是一片沸腾,人类努力了大半个世纪的能源革命似乎马上就要大功告成,美国人再次站在了世界之巅。

事实果真如此吗?要搞清楚这个问题,就得先从核聚变的原理说起了。

 

核聚变的原理

核裂变就是铀235或者钚239等重原子核裂变释放能量

而核聚变就是较轻的原子核聚变成较重的原子核,一般用氢的同位素氘[dāo]或者氚[chuān]聚变释放能量

美国的核聚变要成了吗?

与核裂变相比,核聚变不仅没有后续核污染问题,而且所需的材料氘是大海中普遍存在的元素,地球上的储量极其丰富,不像铀235那么稀有。

所以如果掌握了可控核聚变技术,就等于掌握了几乎无限的能源,人类的能量级别就可以跃升一个大台阶,甚至会带来新的工业革命。

但遗憾的是,虽然不可控核聚变(氢弹爆炸)早早就实现了,但缓慢释放能量的可控核聚变却迟迟搞不定,为此人类已经努力了大半个世纪。

为什么可控核聚变那么困难呢?

这是因为需要极端的高温高压才能使氘或氚的原子核克服电磁斥力,在足够近距离发生碰撞聚变成氦并释放能量。

如果是氢弹那就很好办,只需要用一个原子弹来引爆,其产生的高温高压就足以让氘或氚发生聚变。

只管炸不管控制总是简单的,但如果想让能量释放变得可控,而不是一家伙就毁掉一座城市,那就是另外一回事了。

创造上亿度的高温高压环境已经相当困难,但真正的世纪难题是如何维持这个环境,这就相当于捧着一束上亿度的“烫手山芋”。目前没有任何已知的材料可以承受如此高温而不气化。但是如果想用可控核聚变要来发电,就只能想办法创造一个容器一直捧这束上亿度的“烫手山芋”。

最终科学家们想到了强磁场,在真空区间内,靠强磁场约束住超高温等离子体不扩散开。

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这就是“托卡马克”磁约束装置的原理。

但是新问题又来了:

超强磁场虽然能约束住超高温等离子束不把容器给毁了,但是要维持超强磁场本身就需要很大外界电力来维持。目前维持这套“托卡马克”磁约束装置运转消耗的电力,比核聚变本身产生的能量还要多。

输出能量小于输入能量,这套系统自然就是亏本买卖,发电无从谈起。

所以要想实现核聚变发电,首先要做到就是出能量必须大于输入能量,起码这套装置得是正能量装置,才有可能实现后面的可持续发电。

目前比较成熟的“托卡马克”磁约束装置已经能做到了输出/输入能量的比值Q值为0.6左右。虽然距离1还有一点距离,但人类一直在接近。

而这时候突然美国宣布他们已经把核聚变的Q值搞到了1.5,这当然举世震惊,给人的感觉就是“人类新的工业革命近在眼前了!

如果真如人们所愿,那确实是人类能量利用的里程碑式革命。毕竟人类每次工业革命,都伴随着能源跃升。

然而……

 

避重就轻

美国这次用的是惯性约束激光点火方案。这套方案跟上面说的磁约束方案截然不同,完全是另一棵科技树上的玩意。

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原理大概是这样:

用氘氚核材料做成一个直径约3毫米的燃料小球,放入环空器内。然后用192束强激光同时打在环空器内壁上。

因为激光直接照射受热不均且温度不够,所以就用激光照到环空器内壁,通过这个办法激发环空器内壁射出X射线,这些X射线会把燃料球瞬间加热到几千万度,诱发核聚变,产生小型核爆。这个过程中环空器内壁也会出现很大的材料损耗

美国的核聚变要成了吗?

 

简单来说就是用激光束点爆了一个超级小小小袖珍“氢弹”,引发一场袖珍核爆,释放了能量

美国最新的官方说法是:

  • 输入能量:2.05MJ
  • 输出能量:3.15MJ

因此Q值=3.15/2.05=154%,首次实现了Q值大于1,于是大家欢呼雀跃,普天同庆!

但这套说法没告诉你的是:这个2.05MJ仅仅只是最后一步点爆小球用到的能量,还有其他部件一大堆额外能量损耗他没说。

比如说:

  • 输入电转换成激光,效率其实很低。
  • 激光再转换成X射线,效率同样也很低。

再加上蓄能等等一系列能量损失,整套操作下来的能量消耗其实非常巨大。

事实上,整个装置的总输入能量高达322MJ,经过层层损耗,最后射到核燃料小球表面的能量只剩下2.05MJ,最后靠这个2.05MJ的能量点燃了核聚变,产生了3.15MJ的能量。也就是说如果算上全套装置的能耗,那么实际的Q值=输出3.15MJ/输入322MJ,连1%都不到……

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这不是人类的希望,这是亏到姥姥家。

美国这种宣传方式是前面99步都不说,只说最后冲刺那一步的效率,属于典型的偷换概念。

如果按这种偷换概念的说法,“托卡马克”磁约束装置也有话可以说的:如果只考虑核心点燃核聚变的耗能,不考虑外面约束磁场的耗能,那“托卡马克”磁约束装置的Q值早就过1了啊,大家还用得着忙活到现在?

 

磁约束装置现状

看完上一节大家就会明白,美国那个科技树离实用实在差得太远,目前人类核聚变的主流方向仍是磁约束装置。该系统目前已经做到稳定0.6~0.7的效率,再努力努力就可以过1了。

实际上早在1997年,日本就已经宣布在“JT-60型”托卡马克装置上实现了Q值超过1。后来不断改良,一度达到Q值=1.2。只不过存续时间太短了,只能坚持1秒,根本没法发电。

所以人们又开始把努力方向转到延长持续时间上,只有核聚变能维持足够长时间,才有发电价值。

实际上持续时长和Q值高低也有一定的此消彼长的关系。毕竟你只需要把约束磁场的耗电减弱,减小输入,能耗自然就降低,Q值自然就大了。但是那样磁约束会减弱,坚持不了多久就会失去对高温高压等离子体的约束,导致设备被“烤熔”。

一个是已经可以实现大约70%效率的磁约束方案,比一个目前效率只有连1%都不到的激光点燃方案。谁更接近发电一目了然。

磁约束具体一点目前主流又分两种:

一种是最普遍的,前面说的“托卡马克装置”

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中国的“托卡马克装置”处于全球领先地位,目前中国做到的水平是:

  • 7000万度持续1056秒;
  • 1.2亿度持续101秒;
  • 1.6亿度持续20秒。

不管哪一项,都是世界纪录保持者

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不过目前也还没有正输出。计划要等到2025年建好的下一代实验堆和2030年的工程堆方可以实现正输出。

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另外除了中国主攻的“托卡马克”装置,还有一种磁约束的装置叫做”仿星器”

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这玩意绝对可以说是人类造出来最丑的高端工业品,不知道的人还以为是被谁给扭曲砸烂了。实际上它就是故意设计成这种拧巴扭麻花样。

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目前德国等一些国家在弄,现在大约是做到了2000万度坚持100多秒左右的水平。磁约束用哪种方案孰优孰劣虽然目前还没有最终定论,参数也不可横向同比。但“托卡马克”装置还是目前相对最成熟的。

其实欧美挺长一段时间对核聚变这事都不是太积极,时断时续拖拖拉拉。主要原因还是欧美的电力需求很多年没怎么增长,导致他们没什么动力砸钱发展。有些人的想法是等中国搞出来后再买来直接用,这样比自己从头开始研发要省得多。

现在只有中国砸钱最积极,这主要是因为中国电力增速幅度最高,需求非常大。所以急于砸钱开发这种东西,目前官方时间表是2030年发电,2050年商业发电应用。

美国的核聚变要成了吗?

激光点燃核聚变的意义

前面已经说了,激光点燃核聚变这个模式的效率实在太低,所以大家都不怎么想爬这个科技树。投入300份能量才能换来3份能量的效率属实离谱,而且最近这次实验还把装置炸坏了,亏得没边了属于是。

那么美国为什么要投入巨资去搞这么一个看上去很不实用的东西呢?

原因是激光点燃核聚变有一定的军用价值。比如说它可以用于研发新型核弹,通过惯性约束激光引爆聚变模拟核武器爆炸,从而获得核试验数据。

这么做的原因是1996年《全面禁止核试验条约》正式生效,大家都不能再进行核弹引爆试验了。而美国一边想维持这个规则限制其他国家的核武器发展,一边又想作弊自己偷偷做实验,所以就想到了用激光引爆超袖珍核弹的方法来探索研究核武器的技术。

也就是说NIF这个耗资35亿美元的装置,一开始的规划就是为了研究核弹用的。但是既然都已经花了那么多钱,顺便宣传一下“成果”岂不美哉?

现在相关人士号称这个激光不仅可以点爆核弹,还能实现“释放能量大于点爆能量”的可控核聚变,忽悠一下吃瓜群众,壮壮自己的声威,也是极好的。至于产生激光过程中的损耗就完全不管了,反正大多数人也不懂,美国也根本就没打算用这个来搞民用发电,只是军用附带的噱头罢了。

全文完

参考资料:

https://bigthink.com/the-future/fusion-power-nif-hype-lose-energy/

The laser energy delivered to the target was 2.05 MJ, and the fusion output was likely about 3.15 MJ. According to multiple sources on NIF’s website, the input energy to the laser system is somewhere between 384 and 400 MJ. Consuming 400 MJ and producing 3.15 MJ is a net energy loss greater than 99%. For every single unit of fusion energy it produces, NIF burns at minimum 130 units of energy.

In terms of electrical power, 3.15 MJ would not quite power one 40-watt refrigerator light bulb for a day. Charging NIF steadily over the same day would draw 4,600 watts from the power grid. (NIF is actually charged much more quickly, but at the cost of a much higher draw in watts — more energy per unit time, over less time — but the total energy is the same.)

https://time.com/6240746/nuclear-fusion-breakthrough-milestone-clean-energy/

It’s important also to keep in mind the amount of energy that researchers managed to generate. The result of the recent DOE experiment might be characterized as a small explosion, but the 3.15 MJ it outputted is equivalent to the energy content of about a tenth of a gallon of gasoline. Notably, the energy that the lasers input into the reaction, 2.05 MJ, is only a tiny share of the 300 MJ of energy the facility needed to run the experiment. “I don’t want to give you the sense that we’ll plug the NIF into the grid,” said Kim Budil, director of Lawrence Livermore National Laboratory, speaking in a press conference on Dec. 13. “That is definitely not how this works.”


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