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聚变发电还有多远?

发布时间:2015-10-4 09:53 原作者:雷奕安   来自: 中国科学网


惯性约束聚变方案目前还有好几种在竞争。由于惯性约束聚变相关研究,比如高功率脉冲技术,强激光技术,内爆研究,高温高密等离子体性质,高能量密度物理研究等都与军事关系密切,该领域的研究细节经常是保密的,相关研究单位也是国防研究单位。但在聚变能源研究方面,主要研究方案和研究结果还是很公开。目前走在最前面的是前面说过的美国NIF装置。该装置投入的人力物力,能达到激光能量和聚变输出都是全世界最高的。如果到2012年,NIF如期实现1兆焦尔聚变能量,就从原理上证明了激光惯性聚变的可行性。下面只需要提高一些激光能量,改善靶丸设计,就可以将增益再提高两到三个量级,达到聚变发电需要的增益水平。NIF团队对计划目标相当自信。但由于NIF也是一个研究装置,不可能实现发电,甚至不可能实现工程增益能量输出(数百兆焦尔),因为这样将破坏昂贵的实验装置。

NIF的聚变发电计划LIFELaser Inertia Fusion Energy, 激光惯性聚变能源)自2008年首次在国际原子能机构举办的第22届聚变能源大会上提出以来,已经进入细化设计和关键技术验证阶段,但基本路线从最初的混合堆方案[4]转向以纯聚变方案为主。在LIFE中,激光聚变一直备受质疑的关键技术难点,比如激光重复频率问题,靶丸结构和生产问题,末端光学器件的破坏问题,反应室清理问题,等等,都有了很好的考虑。LIFE纯聚变方案中,反应室是模块化的,可以现场生产组装,整体更换,从而大大降低了对第一壁材料的要求。另外,反应室充有低压气体,反应室第一壁有一定的保护。从发电成本来看,装置功率越大,经济性越好。如果聚变堆发电功率为一百万千瓦,则每度电成本为6美分,约合人民币4毛钱,与其它常规能源差不多。

NIF采用的是间接驱动,即用激光产生X光压缩靶丸内爆。美国也有用氟化氪准分子激光直接驱动的惯性聚变能源方案,其中的激光效率,驱动效率都要高一些。如果采用高增益的冲击点火方案,经济性更好。直接驱动对激光的对称性要求很高,这是该方案尚需解决的一个问题。此外,还有用脉冲电流驱动的箍缩内爆方案,重离子驱动方案等。脉冲电流驱动可以有很高的驱动能量,采用柱形内爆方案也可以得到比较高的驱动效率。

美国LLNL的科学家们认为他们的LIFE方案在1020年内可以实现商业示范发电。相比而言,欧洲和日本的惯性约束聚变方案要保守一些,但也将计划定在2030年之间。个人认为,这一时间框架可能是乐观了一点。再加上10年到20年做成倒是可能性很大。

虽然看起来现在离聚变发电距离还很远,但是与20年前相比,现在的很多成就也是当时难以想象的,例如激光能量,激光校准,靶丸生产等。举一个靶丸跟踪定位的例子。激光聚变要求靶丸定位非常精确,允许的误差只有几个微米。但是靶丸要通过一支注入枪高速射入反应室。当靶丸正好走到激光汇聚点的时候,超高功率激光脉冲到达,点燃靶丸。这是非常难实现的,精心设计的注入枪只能达到几毫米的控制精度,比允许值大一千倍。但美国通用原子能公司(General Atomics, GA)设计了一套弹丸注入与跟踪修正技术,用一套弱激光跟踪和调整靶丸运行轨迹,目前可以将弹丸定位在28微米误差范围内。20年后,激光聚变能不能发电,很难说。但是无疑我们会离目标更近。

磁约束聚变由于装置更加复杂,成本更高,需要找到紧贴高温等离子并承受高通量高能中子轰击的材料,需要的时间应该要多一些。究竟哪一种方案能够最先获得成功,现在还很难说。目前除了主流的几种方案外,还有几十种聚变能源方案在研究,甚至一种新的方案出现并获得成功的可能性也是有的,但可能性最大的无疑是上面说的几种。

未来会怎么样?

从前面说到的聚变的困难,和现在研究装置的实际情况,都可以预计聚变装置很大,很复杂。这就意味着聚变装置投入大,周期长。再考虑到还有很多技术没有验证,也还有一些问题没有解决,因此指望聚变发电短期内实现并担当世界能源重任是不现实的。但到目前为止,除了磁约束第一壁材料问题尚需明确之外,其它各种关键技术已经基本明朗。如果能够按照路线图顺利发展,2030年内能够实现聚变发电。如果再保守一些,无论惯性约束还是磁约束,4050年内实现聚变发电的可能性非常大,80100年内应该能够大规模普及,再过50100年成为社会的主要能量来源。

聚变能源需要建立一整套新的工业和技术体系,如高功率高重复频率激光器,大型超导线圈,抗极端辐照条件材料,氚生产等,也需要培养大量相关人才,这些都需要时间。我们可能会认为4050年很长,但对于人类历史来说,一两百年也只是短暂的一瞬。我们用火已经有几十万年了,煤、石油、天然气等化石能源的使用有一千多年历史,而大规模开发利用,成为社会主要能量来源只有两三百年。如果花一两百年过渡到聚变能源,可以保证人类以后非常长时间的生存和发展,付出再多的努力,都是值得的。当然,目前的能源形势已经很严峻了,那么这一两百年怎么办?一两百年内,世界的发展也不是很好预测,但是如果人类有足够的智慧,能够控制自身整体的行为,化石能源加可再生能源还是足够支持我们度过这段时间的。实在不行,如果我们愿意冒一点风险,在控制风险的前提下,还可以大量利用丰富的裂变核能[5]

一两百年内能进入聚变能源时代,是非常了不起的成就。这项成就的意义不仅仅是能源得到保障,而在于为人类下一次革命打下了基础。我们用火,得到了大量食物,拓展了生存空间,用化石能源拓展了自己的能力,完成了工业化、信息化。而一旦实现了聚变,再结合现在已经基本拥有的一些技术,我们可以获得独立于自然的生存能力。我们将能抵御大规模自然灾难,将能迈出地球,走向宇宙空间。地球历史上几十、几百、几千万年一轮回的大规模灾难曾经一遍又一遍地大规模灭绝地球的生命,这些将不再威胁人类整体的生存。

我们常把聚变堆比喻为人造太阳,主要是从它的工作原理来说的。这里其实隐含着一层更深刻的意义。因为我们也知道,太阳是生命之源,是万物之父,如果说地球是万物之母的话。如果我们造出了太阳,我们人类——作为地球生命的代表,就终于长大了、成熟了,可以离开父母,可以自立、自生、和繁衍,去开拓新的天地。


[1] :又叫重氢,原子核中有一个质子和一个中子;氚:又叫超重氢,有一个质子和两个中子;氦:两个质子两个中子;氦3:两个质子一个中子。

[2] 地球大气中大约有4万吨氦3。据估计,月球表面约有数百万吨氦3,如果用来提供人类的所有能源,约够数千年之用。这是探月计划经常被拿来证明探月必要性的一个说法。要知道,月球表面还有几亿亿吨的氧。要把含量只有亿分之一,一旦逸出土壤就会逃逸到太空中(月球表面白天的温度有100多度,对应氦3的热速度约为每秒1500米,而月球表面的逃逸速度只有每秒2400米,考虑到热速度的麦克斯韦分布,以气体形式存在在月球表面的氦3会很快跑光。月球连氮、二氧化碳这样重的分子都保持不住。),又不参加化学反应的氦3收集起来,长远来看也非常困难。如果氘-3反应能够很好实现,完全可以直接在核反应堆中直接生产氚,然后由氚衰变生产氦3。这一方案不需要预先解决任何困难。

[3] 有人可能会认为这是表面张力引起的,实际不是。在下端为凸表面的情况下,表面张力能够维持较小高度的水柱。松开手指就会发现这一点。水管粗了之后,表面张力的影响就可以忽略了。

[4]混合堆方案是指用聚变产生的高能中子照射裂变材料(主要是常规裂变反应堆不能直接燃烧的铀238和钍232),引起它们裂变,将总能量输出放大数倍,从而降低聚变部分的增益要求。聚变-裂变混合堆对聚变功率输出的要求比纯聚变堆低,所以大家一度认为混合堆更容易实现,是聚变能源应用的第一步。但考虑到混合堆百分之八十以上的能源来自裂变,而裂变(即常规核能)的风险是大家非常忌讳的一个问题,混合堆由于其复杂性和工作原理,放射性的风险更难控制,一旦发生事故,危害比常规核能电站更大。混合堆的高放射性运行环境意味着系统一旦运行,就不可能维护。此外,困扰常规核能的衰变热问题,核扩散问题,都同样存在,甚至更严重。虽然还有不少人在研究混合堆,但从国际上主流研究机构的动向来看,该方案实际上不太可能付诸实施。

 

[5] 关于长期能源发展趋势和核能,请在网上搜索“下一百年的能源”,“核安全与核能社会”。两篇文章比较详细地讨论了各种能源的总量和优缺点、核能的安全问题等。

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