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读书笔记:三阿尔法聚变发电研究的新“突破”

发布时间:2015-10-9 11:12    来自: 中国能源网

三阿尔法聚变发电,是氢和硼(燃料)核子在磁约束的等离子体内碰撞聚合产生三个α粒子发电。不(或很少)产生中子,所以没有(或很少)显著的放射性产物;靠电磁,无需另外的传热介质(蒸汽)旋转汽轮机等设备,所以简单;按投入的燃料质量计,聚变释放的能量与铀-235裂变反应相近;燃料几乎是无限的,发电效率超过80%,致使电力成本比燃煤发电还低--好得简直令人难以置信。但所依据的Bp ααα反应早在1936年就观察、计算过了,现在是顿悟”…

《科学》杂志新闻副编辑丹尼尔·克利里(Daniel Clery824日从美国加州福特希尔牧场发回报道[1]:在洛杉矶南部郊外工业园区内,科学家的受控核聚变在提供丰富、便宜而清洁能源的进程中前进了一大步。一个得到私人资助、名为三阿尔法能源(Tri Alpha Energy)的公司建造的机器,构建的约1000的超热气球,持续稳定5毫秒没有衰减。似乎只是眨眼之间,但比用这种技术的其他研究成就长很多;而且首次展示有可能使气体保持稳态,只因当时用光了燃料,研究人员才关机。

76年诺贝尔物理奖获得者、加州帕洛阿尔托市斯坦福大学粒子物理学家、三阿尔法能源公司顾问委员会成员伯顿·里克特(Burton Richter)说,他们仅仅借助可用的电力系统,终于在实现有限一生的目标中获得成功。如果这个公司的科学家能按比例放大这种技术到更长时间和更高温度,他们就能上一个台阶, 使气体内的原子核碰撞激烈到足以熔合在一起,释放出能量超过系统输入的能量。

竞争对手、圣地亚哥聚变创业能源/物质转化公司的洁蓉 帕克(Jaeyoung Park)说,除非学会控制并驯服这种[热气体],否则不会有什么成效。在这方面,它是个大难题。他们似乎找到了驯服它的办法下个问题是如何才能适当地约束[气体的热]。我给他们疑罪从无的判断[2]。我想看他们未来23年。

虽然其他创业公司也尝试利用类似的方法实现受控聚变 在这个领域最重要的成就是政府资助的大型工程,如靠国际合作、在法国南部在建的200亿美元的国际热核实验堆(ITER)和美国能源部在加州利弗莫尔的40亿美元的国家点火装置(NIF)。但是,这种项目的成本快速增长,复杂性引起许多怀疑。它们永远不会成为成本负担得起的电厂。

三阿尔法和类似公司的成就采取了不同的路径,承诺能更快地开发出更简单、更便宜的机器。重要的是,与大多数另外的聚变堆相比,三阿尔法的机器或许能用不同的燃料运行。这种燃料--氢和硼的混合物--更难起反应。但三阿尔法的研究人员说,它避开了许多常规聚变电厂很可能面对的问题。康奈尔大学等离子体物理学家、三阿尔法公司顾问大卫 哈默(David Hammer)说,他们取得的进展使人们相信,他们能使[氢-硼]反应堆成功地运转

但是,没有参与这个项目的新泽西州普林斯顿等离子体物理实验室等离子体物理学家乔恩 梅纳德(Jon Menard)说,燃烧氢-硼燃料要求真正的极高温,超过30亿,而且极具挑战性。他说,很难预测在更高的温度下,气体会有怎样的行为表现。我有点担心他们的[模拟实验]落后于他们的经验,但这种方法值得进一步调查研究。

与其他聚变技术类似,三阿尔法的装置拟约束的气体如此之热,其原子的电子被剥离,生成一股汹涌的电子和离子混合物急流,名为等离子体。如果离子以足够的力量相碰撞,它们聚合,某些质量转化为能量。但用常规燃料,至少需要1亿的温度,热到足以熔化任何容器。所以反应堆设计师的第一个挑战是如何约束等离子体,不与容器接触。像NIF之类等离子体快速内爆的装置,依靠其内向惯性约束时间长到足够引起一阵聚变反应。与此相反,ITER用名为托克马克的环形室内强大的磁场控制等离子体稳定。某些磁场靠复杂的超导磁体网络,剩余部分靠类似电流绕环形磁场流动的等离子体本身。

三阿尔法的机器也生成等离子体环状真空腔(类似烟圈),但腔内的等离子体粒子流生成的磁场使等离子体保持稳定。这种方法称为场反位形FRCfieldreversed configuration)[3],上个世纪60年代已熟知。然而,尽管做了几十年的工作,研究人员获得等离子体气泡破碎或熔化前大约只维持0.3毫秒。1997年,加拿大出生、加州大学欧文分校物理学家诺曼·罗斯托克(Norman Rostoker)和同事们提出了新方法。第二年他们设立了三阿尔法公司,现立足这儿一个平常而且没有标识的工业单位内。从桌面设备装配起,到去年,这个公司雇用150人,用C2做研究。这是个23米长磁铁环绕的真空管,布满控制装置、诊断仪器和粒子束发生器。这个机器在两端生成烟圈似的等离子体环,靠专有的方法使每个烟圈首尾相接,并以接近每小时一百万公里的速度在靠近中部相撞击。在中心,它们融合成更大的FRC,使它们的动能转化为热。

原先建立持久FRC的尝试受到两个孪生魔障的困扰,折磨着所有聚变堆的设计师。首先是等离子体内的湍流使热粒子抵达边缘,因而导致热逃逸。其次是不稳定:事实在于热等离子体不喜欢受约束,因而扭动、膨胀,试图获得自由,最终完全破碎。理论家罗斯托克曾在许多物理分支机构做研究,包括粒子物理,他相信解决方案潜藏在高速粒子点火切线进入等离子体的边缘处。相对于原生粒子,快速运动的进入粒子会沿着等离子体磁场内更宽的轨道运动。这种宽轨道将充当保护,使等离子体变,防止热泄漏扰动和不稳定。

为使机器正常工作,三阿尔法团队需要精确控制长3米、宽40厘米的雪茄型FRC边缘的磁性条件。他们借助长管两端的电极和磁体生成磁场反射等离子体,达到了目的。

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