核聚變是驅動恆星的引擎,那麼人工聚變反應堆是如何工作的呢?

核聚變是驅動恆星的引擎,許多人認為這是能源技術的聖盃。

一個運轉正常的聚變反應堆可以在一個無限期、安全和不危險的時期內為世界提供幾乎無限的能量。

不幸的是,這項技術仍然是科幻小說的素材。

這讓許多讀者不禁要問:“什麼是核聚變?

人工聚變反應堆是如何工作的?

”在我們進入核聚變之前,讓我們來談談裂變。

與核聚變相反,核裂變是原子分裂的過程。

當原子分裂時,它們透過放射性衰變(放射性)和核反應(核彈)釋放出大量的能量和電離輻射。核電站利用這種裂變為世界上11%的人口提供電力。核聚變是將兩個或多個原子結合起來創造新事物的過程。當這發生在兩個質量低於鐵的原子核中時,這個過程產生了大量的能量。當原子核與比鐵更重的質量結合在一起時,它實際上消耗了能量。後者是對恆星的死刑判決,當一顆恆星開始將鐵融入其核心時,它就變成了超新星。現在,我們只討論前者,即產生能量的較輕原子核的融合。

核聚變是驅動恆星的引擎,那麼人工聚變反應堆是如何工作的呢?

這些較輕核的行為可能與我們的直覺背道而馳。當我們試圖把這兩件事結合在一起時,就需要工作和精力。當我們試圖將原子融合在一起時,當原子足夠接近時,它們實際上想要粘合在一起。當兩個原子結合在一起,合併成新的東西時,它們釋放出大量的能量。在核聚變之後,實際上需要一點能量才能將它們保持在核聚變的狀態。不幸的是,因為氫原子有相同的電荷,當它們彼此接近時,它們就互相排斥。這有點像迷你高爾夫-如果你想把球放在陡峭的斜坡上的一個洞裡,要把球移到洞附近需要付出一點努力。但是,當球越過洞的邊緣,它立即下沉並彈到適當的位置,它“回家了”。這是由於強大的核力,使原子“粘合在一起”。更大更重的原子的工作方式有點不同。他們只是不情願地呆在一起,最輕微的干擾就會把他們分開,導致能量的釋放。這就是我們所說的放射性,這種效應被用來增加熱水,蒸汽可以驅動渦輪機,為核電站發電。這兩種融合方法之間的融合研究已經進行了幾十年。

核聚變是驅動恆星的引擎,那麼人工聚變反應堆是如何工作的呢?

雖然進展緩慢,但近年來取得了一些令人鼓舞的進展。雖然實現核聚變有近十幾種方法,但有兩種設計處於領先地位,而且最有可能成功。它們分別是慣性約束聚變和磁約束聚變。用於描述慣性約束聚變的成語稱為鐳射聚變。這是一個真正的描述,因為這就是它。數十個世界上最強大的鐳射器在系統中被激發、放大,然後聚焦在一個小目標上。目標通常是一個(10毫克)氘-氚球。鐳射以這種力、速度和能量撞擊,壓縮粒子,並在它們有時間突破傳統方法之前立即加熱它們。這個過程發生得如此之快(從10^(-11)到1010^(-9)秒之間),以至於離子被自己的慣性所卡住,這就是慣性約束聚變的起源。一旦氘-氚球團達到一定的壓力和溫度,就會實現“點火”。“點燃”是指球開始鏈式反應,使物質熔化併產生大量能量的過程。一個10毫克的氘-氚球會聚在一起,相當於燃燒一整桶油。這個球本身是氘和氚的一對一混合物,兩者都是氫的同位素。

核聚變是驅動恆星的引擎,那麼人工聚變反應堆是如何工作的呢?

事實上,全球的氘供應是無限的,它可以從各種形式的水中蒸餾,每升海水中含有33毫克氘。另一方面,氚是很難得到的。它是一種迅速腐爛的氫元素,在自然界中是極為罕見的。氚的全球供應總量約為45磅。幸運的是,它可以在核聚變過程中產生。當中子撞擊聚變反應堆外殼中的鋰時,它就被“傳播”了。未來任何大規模商用icf聚變反應堆計劃都必須包括自己的氚培養。雖然實驗鐳射聚變確實實現了“點火”,但問題是,從它獲得的能量比你投入的更多。鐳射需要大量的能量,對於加州的一個國家“點火”設施(NIF)來說,他們需要增加100倍的產量才能達到收支平衡。另一個問題是球本身,如果鐳射擊中球,球沒有均勻地壓縮和加熱,不僅大大降低了獲得能量的風險,而且可能根本無法實現“點火”。磁阻聚變磁約束聚變比對鐳射熔合的奇異變化聚變的過程是利用強磁場擠壓、加熱和控制過熱的等離子體。等離子體在環形反應器中迴圈,其中加熱等離子體的附加方法也是加熱等離子體的輔助方法。

核聚變是驅動恆星的引擎,那麼人工聚變反應堆是如何工作的呢?

電流也流經等離子體,在某些情況下還透過微波、中性束注入和射頻加熱。其目的是使等離子體儘可能熱以觸發聚變,溫度需要達到或超過1。5億攝氏度。在這兩種聚變系統中,磁約束被認為是一種較為成熟的技術,它可能是實現核聚變淨能量增益的第一種技術。然而,它也並非沒有自身的挑戰。為了達到自持聚變所需的溫度,必須對等離子體進行精確控制。這是一個技術問題,因為過熱的等離子體難以控制。控制它就像把水放進你的手掌,然後把它塑造成某種東西。水要麼從你手中漏出來,要麼立刻失去形狀,形成一個雜亂無章的水坑。保持等離子體在你想要的位置,如何使用它,防止它接觸反應堆的牆壁,是物理學家面臨的最大挑戰之一。等離子體中的雜質和電流或磁場中的不穩定也會干擾物體,從而防止核聚變的發生。核聚變反應堆壁也存在中子損傷的危險,這導致中子轟擊反應堆壁,導致金屬的弱化、脆化和最終衰變。

核聚變是驅動恆星的引擎,那麼人工聚變反應堆是如何工作的呢?

這有利於氚的“複製”,但不利於本已脆弱的反應堆壁。融合的好處是什麼?正如我們在本文開頭提到的,核聚變有可能為我們提供幾乎無限的能量。然而,這些好處並沒有停止。除了能源生產外,反應堆所需的燃料量很小,可以從海水中蒸餾出來。聚變反應堆產生的輻射也比我們在地球上所經歷的自然背景要少。世界上近70%的能源來自燃燒煤、石油和天然氣由於核聚變不涉及燃燒,所有汙染的空氣來源和廢物幾乎在一夜之間消失。雖然聚變反應堆有一些核廢料,但與一個典型的裂變反應堆在其使用壽命期間產生的廢物量相比,它是微不足道的。核聚變產生的高風險廢物既不是高水平的,也不是武器級材料。核聚變只產生少量放射性廢物,而危險的放射性只維持50年左右,因此處置問題就不那麼令人擔心了。也不存在熔燬導致諸如切爾諾貝利等放射性爆炸的釋放的危險。這是因為聚變所用的燃料量太小,不可能失控,燃料在進行其他操作之前會自行燃燒。核聚變的另一個好處是它可以用於星際太空旅行。

核聚變是驅動恆星的引擎,那麼人工聚變反應堆是如何工作的呢?

據推測,冷聚變是在室溫附近發生的核反應。在過去的幾十年裡,有幾個人聲稱已經實現了“冷聚變”,但到目前為止,還沒有人能夠用自己的裝置在實驗室中複製“冷融合”。冷熔合可能性低的原因之一是庫侖勢壘。在恆星的核心和我們的實驗聚變堆中,由於施加了巨大的熱量和壓力,這一障礙很容易克服。沒有這些極端的環境,持續的核聚變是不可能的。為了擺脫該術語的負面品牌,那些繼續研究聚變領域的人更傾向於使用“低能核反應”(LENR)一詞。目前,冷融合與永磁電機屬於同類科學。在歐洲核研究中心工作的物理學家道格拉斯·R·莫里森(Douglas R O Morrison)稱冷核聚變為病理科學的一個例子。這個詞是1953年諾貝爾獎得主歐文·拉穆爾發明的。他用病理科學這個詞來描述一個研究領域,在這個領域裡,大多數科學家在很長一段時間內沒有“消失”,而其他科學家則堅持研究。

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