核聚变几十年来一直是一个梦想。装备查普曼发现的最新发展,可以帮助它履行其承诺

2021年12月21日,牛津郡的一个昏昏欲睡的角落,英国,成为十倍比太阳核心的温度。在银色的,环形的欧洲联合环(飞机),发光的聚变反应产生的等离子体流持续5秒。它只生产59焦耳的能量——几乎能够满足一个小回家一天,但每个人都看明白11-megawatt破裂的意思。这是一个新的世界纪录核聚变产生的能量。

飞机是在英国原子能管理局(UKAEA)身为Culham科学中心,英国的融合研究国家实验室和更广泛的一部分Eurofusion 28个欧洲国家的合作。费尔南达里米尼,Eurofusion高级开发经理的飞机,是为数不多的见证了现场直播。”我觉得我是一个成年人,我去过那里,我所做的,它不会是令人兴奋的。“我错了。我们在这个奇怪的流行情况,只有半打控制室的人,我们不能有整个团队…但我们的实时测量中子。我们会按比例缩小的最上面是10兆瓦。当它走了,我们知道。我们就回家了,一瓶香槟酒。

生产不了解它这样一个低能量的设备成本数百万看似浪费时间。的想法融合力量和近乎无限的承诺,清洁能源已经存在了一个世纪,但是一个可行的反应堆似乎仍然需要数十年的时间。那么为什么核聚变能量值得兴奋,和它的未来能源,还是仅仅是一个白日梦?

融合对于初学者来说

核聚变是两个原子核的结合在一起,形成一个新的、较重的原子核。这是比氢重所有的元素是如何形成的,通常在恒星的强烈的宇宙炉。任何原子核聚变反应产生比铁56轻或镍- 62通常是放热,导致能量的释放和中子。我们看到,好处,每天从流程:太阳通过核聚变产生能量,每秒钟约5亿吨的氢融合成氦。(尽管这听起来令人印象深刻的,太阳是相对低效的核反应堆;只达到融合在其核心和依靠重力,相对弱力,驱动其反应速率)。

现有核能依赖于核裂变,分裂原子分裂的过程中产生较轻的。使电厂可行,他们必须使用重,放射性元素铀和钚等。然而,裂变不如融合、节能并产生更高数量的放射性废物。相比之下,聚变反应堆可以使用任何光元素,但氢,作为地球上最轻和第三个最丰富的元素,最合理的方式,特别是在它的两个重同位素的形式,氘和氚。这些分别包含一个和两个中子,因为可以在较低的温度下达到融合条件比替代品,并产生更多的能量比“正常”的氢原子。你生产的是氦粒子,仍然在等离子体,热等离子体本身,和一个中子,“里米尼说。你产生的能量比你。需要很少生产这种能量,然后重用没有用完的燃料。非常,非常有效。

你需要高密度和高温原子接近碰撞和克服斥力

如果我们可以让它工作,这将是终极能源,”解释了泰米妈,等离子体物理学家劳伦斯利弗莫尔国家实验室的我们。没有碳副产品,我们可以获得我们的燃料,从本质上讲,海水。它是丰富的,所以有很多好处,如果我们可以让它工作。”,她补充说,核很难发生融合的碰撞在一起。,作为质子的原子核带正电,因为,由于库仑排斥他们互相排斥。你需要高密度和高温度接近周围的原子和足够的能量有足够的实际碰撞概率和克服斥力,”马说,“这就是为什么它是如此困难。

正是这种挑战——本质上是如何复制一个恒星的内部——这导致非常不同的角度试图使聚变能实现的。这个比赛可以决定在未来世界将如何驱动。

权力真空

飞机的矛头是欧洲寻找一个可行的聚变反应堆。它加热中心氘和氚1.5亿摄氏度左右,使用磁场限制等离子体。说,它使用一个托卡马克里米尼,“这是一个环形的形状,一个甜甜圈稍微拉长,注入气体,电离。这种混合的离子和电子磁场线意味着你可以把它们,如果你产生磁场,粒子依然承压。接下来,您需要热量。我们通过注入高能中子粒子——他们必须中子(不带电)或他们不经过字段在不同的频率,通过无线电波。有许多微妙之处,但基本上波会转移,通过共振,一些离子或电子的能量,这将增加温度。

托卡马克核聚变反应堆

来源:©Juul麦克尔-詹森/科学照片库

托卡马克反应堆旨在限制超热等离子体在一个环形的磁场

托卡马克装置,那么,基本上是一个圆形的大锅,在真空中,为融合创造条件。尽管很难达到所需的温度,一旦完成高效:在2021年12月测试,团队只有大约0.1毫克的氚燃烧产生59兆焦记录。

正如前面提到的,这是一个相对少量的能量,而且还只有大约70%的启动反应所必需的,这意味着它不会电厂工作。虽然它是数十年的研究的结果,飞机只是一个跳板第二欧洲项目,国际热核实验反应堆(Iter),在建的普罗旺斯,法国。在线的时候在2025年,这将是世界上最大的托卡马克装置,并希望产生一个能量输出10倍它的启动要求。托卡马克装置的后续类,演示,已经在规划阶段。目前,飞机的重点是运行实验帮助Iter的设计过程,托卡马克计划于2023年退役。

在劳伦斯利弗莫尔国家实验室,马和团队需要一个非常不同的方法。我们使用非常精力充沛的激光,马解释道。我们压缩一个包含氘和氚燃料颗粒非常高的密度和温度,使融合成为可能——会议一个国家,在那里他们可以克服库仑排斥。”

经的核心

资料来源:美国能源部©

192激光束聚集在国家点火装置中心的微小的氢气瓶内爆

马英九团队这个实验室的国家点火装置(Nif)。Nif是世界上最大的,最精力充沛的激光,”她解释说。192个独立的激光器,其中每一个接近世界上最有活力。住在一栋建筑,三个美国足球场宽10层楼高,这是所有放大所需的对象。事实上,它是世界上最大的光学仪器。火灾时,设备的光束由3070张放大的掺钕磷酸盐玻璃,每一个重42公斤,设置在布儒斯特角,这样可以减少反射损失。的想法是我们所有的能量,这涉及到约1.9磅的炮弹,并集中在一个目标大小的小滚珠轴承,直径约2毫米。

目标由黑体辐射腔,一个小罐,在两端的两个洞让激光进来。通过这些激光器激光传播入口孔,打在墙上,并生成一个精力充沛的沐浴的x射线,然后压缩燃料颗粒悬浮在靶腔的中心。“x射线能量的外表面烧蚀胶囊,“马仍在继续。这第二个苍蝇在几百公里,由动量守恒,其余的胶囊必须开车向内。这一过程加热和压缩中间的氘和氚聚变条件。这减少燃料的颗粒密度的100倍左右的铅,并加热到1亿摄氏度。一枪把几百皮秒——大约一百万倍的速度眨眼之间,在1000倍的力量整个美国电网。幸运的是,短时间内是指团队使用只有14美元每拍摄价值(£11)的电力。

国家点火装置

来源:©Stefan Schiessl /科学照片库

靶腔目标是2毫米宽,会聚激光加热到1亿摄氏度

团队在劳伦斯·利弗莫尔也在过去的一年里取得了巨大的里程碑,获得一个阶段称为“燃烧等离子体”,哪里有持续,持续的核聚变反应。聚变能背后的理念是,你想要产生更多的能量比你,”马说。“现在,我们已经证明了点火阈值70%——这是我们的大人物,去年8月。但在发电厂工作,经济学要解决。你需要获得一些订单的50 - 100倍比你投入更多的精力。所以找到一个目标设计和整体的方法,可以给你那些高收益,是对我们的一大挑战。”

材料问题

在融合面临的最大问题并不是实现所需的难以置信的温度——这是长期维持环境所需的材料科学。这就是为什么飞机不能去过去的几秒钟,里米尼解释道。飞机是基于磁场相当旧铜线圈,和托卡马克壁不积极水冷,所以高融合周期最多只是设计运行10 - 15秒。

反应堆需要耐辐射,能够采取极端温度和保持其属性

UKAEA已经建立了一个新材料研究机构在身为Culham科学中心来解决此类问题。工作人员寻找解决方案之一是格雷格•贝利计算核物理学家。“铜磁铁太热,”他说。”因此,在未来,我们使用超导磁体。希望我们了解更多。“这些物质的变化已经发生在过去。的飞机实际上改变了材料的墙壁,”贝利说。最初我们把墙上的碳,因为实验使生活更轻松。它应该是完美的,但实际上,这是可怕的!我们得到大量的氚滞留,我们失去了我们的燃料在墙上,氢是漂流。 So we had to change it.’

发现并解决的设计挑战飞机已经被送入Iter,贝利说。”一个反应堆需要什么材料?抗损伤(辐射),它需要能够把温度和极端环境中,和在它的生命周期中保持其力学性能。的聚变反应堆,绝大多数可能是钢。真空容器内的真正有趣的部分是,你的住房,因为他们会面临极端。很明显,他们需要盔甲。”

这导致了Iter计划由440年“毯子”模块,重达4.6吨,其中介绍了托卡马克装置的钢结构。中子放电反应过程中进入毯子可以放缓,和他们的动能转移到冷却系统为另一种形式的力量。希望的毯子也可以用来解决反应堆的另一个问题:他们的原料。

“地球上有大量的氘,”贝利说,“但氘聚变产生能量更低的中子;这并不是一个可行的源动力装置。和氚不是自然产生的。获得他们的氚,团队计划用一个增强锂锂- 6的水平,可以分开下中子辐照产生氚。虽然这是自然发生的,问题是,已经在锂高对其在锂离子电池中使用的需求。“坦白地说,当锂进入我们的反应堆,我们要摧毁它,”贝利说。的燃料并不是问题所在;它是如何产生。

这就是毯子可以进来,贝利说。现在很多设计混合锂铅,或锂陶瓷和一些铍。的想法是氘和氚,聚变反应堆打开,聚变反应产生的中子粉碎到毯子和氚增殖反应可以发生。我们可以提取氚加油反应堆。显然,中子辐射到毯子将导致大量的供暖。”贝利还不完善,但有信心在身为Culham实验将显示的方式,可能与私营部门合作;融合已经吸引主要投资者,包括亚马逊的创始人杰夫·贝佐斯的亿万富翁。如果我们想做融合工业规模我们现在需要开始构建供应链的里米尼说。我们需要开始发展的行业。

大脚目标射击

资料来源:美国能源部©

虽然小,但内爆是壮观

劳伦斯利弗莫尔,马英九团队面临不同的材料的障碍。“我们需要开发配套技术,”她说。”,包括激光高效,可以在高重复频率运行。Nif,我们科学演示设备。电厂工作,我们必须重复反应大约10次获得数学。我们需要新材料能够承受高辐射通量和碎片,我们生成。

这是一个主要的挑战,马承认。然而,有很多不同的融合方法之间的共性,“她说。材料问题,氚燃料循环问题,热转换问题都是一样的。我们可以取得很大的进步在未来5到10年,如果我们有足够的资金。但技术上,毫无问题,我们知道的。

没有人在社区融合,不管所使用的技术,期望这些问题在一夜之间就得到解决。,尽管现在融合的承诺被一个多世纪的历史,当前的挑战意味着技术不会准备几十年。这不会是一个短期的解决能源或减少碳排放的成本上升。“然而,”马说,“我们相信,长远必须是一个组件为零排放。一旦我们找出答案,我们可以建立一个动力装置。它是一个能量来源,将有助于能源大规模股权和造福社会。融合的好处,如果我们能做到。”

现在,然后,聚变能以商业规模仍然是一个遥远的梦想。然而,鉴于其潜力,这是一个值得拥有的梦想。

装备查普曼是一门科学记者和法尔茅斯大学讲师,英国