文章

聚变发电的幻想、错觉和希望

发布时间:2016-3-28 14:14 原作者:罗伯特·赫什,翻译:镜清   来自: 核工程师的博客

在罗伯特·赫什博士(Robert L. Hirsch)看来,近期、托卡马克型聚变堆发电没有希望。他寄希望于三阿尔法公司(Tri Alpha)的p-11B概念。

聚变给太阳和所有恒星提供能量,但已证实利用聚变于民用发电格外困难。过去50年来美国政府一直在推进聚变发电,主要利用磁约束聚变燃料的极热、离子化气体(等离子体)。尽管某些方面有很大进展,联邦聚变规划的主线严重偏离轨道。磁约束聚变发电的主要途径称为“托卡马克”,即俄罗斯人发明的环形磁瓶。最初的工程研究暗示托卡马克或许是个商业上可行的发电资源。然而过去二十年这个希望破灭了,联邦的规划还停留在概念阶段。

幻想

托卡马克规划的核心依赖于某些幻想。

“展示品”成本渐增。全世界建造和运行的托卡马克实验装置越来越大。在1990年代初期,许多国家,包括美国******在一起建造一个非常大的托卡马克实验装置,利用氘和氚聚变燃料发电,热功率大约50万千瓦。这个展示性的工程项目,称为ITER(国际热核实验堆),最初的成本估算50亿美元,现在好像逐步上升,据推测达到500亿美元,同时出现严重拖期。

为什么是“推测”?ITER组织声明,“因为多个成员合作建造ITER,各自负责在它们自己的领域内用自己的货币采购实物硬件,直接把ITER建造的估价换算为单一货币,这没有意义”。因此,聚变展品巨大成本超支变得“模糊”了。

拒绝市场。能源专业人员承认一种新技术必须在市场上显现优势,才是可行的。像ITER这样的商业聚变堆的成本,或许可比照商用压水堆(PWR)。长期的经验法则告诉我们,一个粗略的成本比较可以来自装机容量类似系统的相对质量。几十年前的、陈旧的ITER初始堆芯设计与PWR比较表明,这个托卡马克装置大致昂贵60多倍,显然完全超出了商业可行的范围。

放射性废物。ITER-托卡马克装置和PWR一样,会生产大量放射性物质。然而,ITER-托卡马克反应堆比PWR生产的放射性多许多倍。同时,托卡马克的放射性废物能在约100年内衰变掉,而PWR的废物衰变大致要1万年。大量的、任何种类的放射性都是不受欢迎的。

安全。聚变倡导者声称这种技术“固有”安全,因为热的聚变等离子体要摆脱约束,当它与相邻的壁碰撞,会立即冷却下来。因此,聚变概念不会引起核失控,而传统裂变堆,如在日本福岛,则可能发生。但巨大的托卡马克超导约束磁场可能偶然熄灭,释放储存的能量。这个能量大致相当于二战“轰动一时”的炸弹。隐含这样的事件,虽然未必,将要求一个巨大的、堡垒一样的构筑物,进一步增加了聚变电厂的成本。因此,ITER-托卡马克型电厂不会是“固有安全”的,ITER-托卡马克装置可能是个非常大的构筑物,要包含的超导磁体淬灭系统也是巨大的,致使成本还要升高。

技术缺陷。最近,托卡马克型的ITER出现技术“搅局者”。托卡马克装置“固有”地泄漏热等离子体,即把等离子体引向边区,称为“偏滤器”(divertor)。几十年来,托卡马克实验装置内的偏滤器一直存在,但沉积的能量相对较少;而在ITER内,沉积的能量要多得多。因此,最近一个工程师小组在考虑ITER的偏滤器是怎样形成和发觉的。“现今托卡马克偏滤器物理的知识基础还不够完整,不足以详细制订偏滤器‘解决方案’……实际上、甚至原理上还不知道是否有个解决方案。”

错觉:规划矛盾和“宗派观念”

二十多年前,美国的聚变研究规划把研究和开发的重点放在托卡马克及其“近亲”上。后来政府的政策改变,聚变规划仅限于“基础科学”。作为回应,规划活动改变非常小。那么,这个规划为何仍然这么狭窄?尤其明显的是,托卡马克-ITER聚变是不是个商业“失败者”?为什么规划不包括某些聚变概念,使之可以提供更有吸引力的聚变发电路径?称该规划为科学规划,与其内涵相矛盾。

“宗派观念”强烈忠于自己的“宗族”、政党或团体。能源部(DOE)经管聚变规划的官员明确表示,它感兴趣的只是给托卡马克或类似的研究提供资金。任何希望吸引DOE聚变规划资金的人最好支持办公室想要的,或者它们没有资格支持的项目。现在参与规划的人不敢挑战规划的偏见。这种状态可以看作“******”的宗派观念,确实不是“平衡”的基础科学。

商业聚变电源的希望

虽然现在托卡马克装置的重点不是商业上可行,但几十年相关的经验给研究人员提供了重要的教训,以识别另外的、潜在地有吸引力的聚变发电的方法。有许多这样的概念,某些涉及高中子通量,而其他则不直接生产中子,如质子--11燃料循环。

p-11B概念包括:多面势阱(Polywell)使用会切磁场和静电势阱,尺寸“固有地”小;三阿尔法(Tri Alpha)场反向配置,借助离子束加热内部圆柱形、真空盒内含螺线管,可装在卡车上;LPP(劳伦斯维尔等离子体物理)的稠密等离子体聚焦,有些新颖的理念,能解决某些老问题。此外,与源部ARPA-E(能源远景规划局)无关的规划正在支持某些有趣的概念,也在托卡马克困扰的能源部聚变规划之外。一个或多个这样的和另外的概念,也许能产生市场可接受的聚变发电概念。但愿随着主流聚变规划重新组合,吸取托卡马克型ITER的经验,希望聚变发电能够复燃并有望成为实现。

上一篇:ANS | 低浓缩铀核热推进器:向火星进军下一篇:核技术有利于保护水资源

推荐阅读
又一核电机组开工!
又一核电机组开工!
4月26日11时56分,国家电投广东廉江核电项目一期工程2
12个!又一“核电大省”披露重点项目名单
12个!又一“核电大省”披露重点项目名单
“核电大省”广东日前发布广东省2024年重点建设项目计
刚刚!又一台核电机组首次并网成功
刚刚!又一台核电机组首次并网成功
4月9日20时29分,中广核广西防城港核电站4号机组首次
中国广核披露一季度发电量及11台核电机组建设情况!
中国广核披露一季度发电量及11台核电机组建
4月9日,中国广核披露2024年第一季度运营情况。2024年
首届核能峰会举行,核能复兴开始……了吗?
首届核能峰会举行,核能复兴开始……了吗?
3月21日,首届核能峰会在比利时首都布鲁塞尔举行,会
我国在建核电机组 26 台,保持全球第一
我国在建核电机组 26 台,保持全球第一
近年来,中国核电产业迎来了重启后的审批和建设高潮。
精彩图片
  • 又一核电机组开工!
  • 12个!又一“核电大省”披露重点项目名单
  • 刚刚!又一台核电机组首次并网成功
  • 中国广核披露一季度发电量及11台核电机组建设情况!
    关注我们
  • 微信公众号:
  • NuclearNet
  • 扫描二维码加关注

Powered by Discuz! X3.2 © 2001-2013 Comsenz Inc.

联系我们|网站声明|中国核网-核能领域第一垂直门户网站