MIT最新研究进展-可控核聚变这是真的要来了?

编辑:中国女性网2020-10-12 08:41:41 关键字:核聚变,麻省理工学院,技术,氢弹,2019科技之光,泰·劳森,戈登·摩尔,美好,一直在身边,英国

作者:佰思科学 |沈东旭 邱亚明


我们都知道可控核聚变很重要,如果能迈过这个坎就是人类文明进步的一大步。同时大家也都明白,可控核聚变实现起来很难。就好像谭咏麟永远25岁一样,关于可控核聚变有个永远50年的梗--不管到了什么时候,你都可以说,可控核聚变还有50年就能实现了。

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核聚变发电原理图


不过最近,2020年9月29日,美国麻省理工学院MIT冒出来一个消息,MIT将和一个叫做Commonwealth Fusion System的私人机构,从2021年开始建设一个核聚变反应堆,预计到2025年建成,用于验证技术,最终在2035年左右实现商业性可控核聚变发电。

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MIT校园


不是说好五十年之后吗?怎么突然变成15年了?幸福来得太突然,让大家有些措手不及。兴奋之余,MIT到底靠不靠谱啊?


先讲讲可控核聚变的基础知识,再看看MIT的说法是不是靠谱。


1、 可控核聚变


核聚变大家都了解是怎么回事,比如太阳上就发生着核聚变,氢弹爆炸也属于核聚变。核聚变简单来说就是原子核融合的时候,比如氢原子融合成氦原子,会释放出能量。而我们所说的可控核聚变,是希望核聚变在人类的控制下按照期望的速度发生,从而将释放出的能量为人类所利用,比如用来发电。

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人类1952年爆炸第一枚氢弹


实现核聚变从原理上来说不难,只要把原子核凑在一起,有足够的温度和密度,聚变就会发生。1957年,英国科学家John D. Lawson提出了著名的劳森判据,作为核聚变能否发生的条件,后来人们把劳森判据表达成三重积的形式:简单来说,温度、密度和约束时间三者的乘积大于一个阈值的时候,就达到了核聚变的条件。氘氚聚变是最容易实现的核聚变,因为它的阈值最低,为3x1021 keV s/m3。

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氘氚聚变是最容易实现的核聚变


氘和氚都是氢的同位素,氘由一个质子和一个中子组成,原子量为2,写成2H;氚比氘多一个中子,原子量为3,写成3H。氘和氚融合的时候,会形成一个氦原子4He并释放出一个中子和能量。


从工程的角度来说,需要大约1亿度的温度,和每立方米2~3x1020以上的等离子密度,再把这些等离子长时间约束在一个空间内,慢慢进行核聚变。因此可控核聚变的核心问题就是:如何把这么高温度的离子高密度且长时间地聚集在一起。


通常有两个办法,一种叫惯性约束,使用激光轰击微型小球,压缩里面的氘氚1:1混合等离子体,就是所谓的激光点火。这种方法从发电角度来看,以当前技术水平不太实用,不细说了。对发电来说比较有希望的方法叫磁约束,就是通过磁场把带电的离子束缚在一个空间区域内,不与外界直接接触,这样反应堆容器外壁的温度也就是1000度的样子,在人类材料所能承受的范围内。

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线圈


只要学过中学物理就知道,给线圈通上电流,线圈就会产生磁场,这样的磁场就可以用来约束离子体。这就是磁约束的基本原理,人们把这样的核聚变装置叫托卡马克。

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通电线圈中的磁场


因此,托克马克本质上来说就是一个常做成环形的大线圈,里面约束着高温、高密度的等离子体。

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托克马克的结构,D形的腔室就是约束等离子体的地方

由于磁约束需要的磁场很强,就需要大电流。如果线圈存在电阻的话,大电流会带来很高的能量消耗。幸好人们在1986年发现了高温超导现象,可以使用便宜的液氮做冷却剂,把导体的电阻降到零,因此可以用高温超导体来做线圈。

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用高温超导体制作的磁约束线圈


2、 ITER与EAST


当年劳森先生推出劳森判据之后就泄气了,认为可控核聚变永远也实现不了,因为要求太高,以当时人类社会的技术水平,实在不知道该怎样才能达到。


1965年,一个叫戈登·摩尔的乐观主义者提出了著名的摩尔定律,即集成电路的晶体管密度每二十个月增加一倍。虽然摩尔定律背后并没有科学原理的支撑,但这么多年以来,半导体行业的摩尔定律一直有效。正是因为摩尔定律的存在,我们才看到信息产业革命般地改变了人类社会的发展。现在一部普通手机里面的CPU计算能力,强于几十年前的超级电脑。因此一个行业要想对人类社会产生革命般的影响,必须存在类似于摩尔定律这样的发展规律。

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对比核聚变性能(蓝线)与摩尔定律(红线)


可是,摩尔定律固然厉害,毕竟属于半导体行业,和可控核聚变又有什么关系呢?其实,可控核聚变领域的发展也存在类似摩尔定律的规律,甚至比摩尔定律两年翻一番还要厉害:三重积指标大约每1.8年就能翻一番。从上图我们可以看出,到了上世纪九十年代中后期的时候,核聚变实验装置的性能指标已经到了1021 keV s/m3附近,这给了大家信心--可控核聚变真的有可能实现!

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另外一个视角看核聚变装置的性能指标变化过程


于是到了二十世纪初的时候,欧洲提出全球合作搞一个核聚变实验堆,名字叫ITER(International Thermalnuclear Experimental Reactor)。项目于2007年正式签约,参与国有欧盟、中国、美国、俄罗斯、日本、韩国、印度,其中欧洲出资45%,剩下的六家平摊。

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ITER模型


这种多国合作项目,扯皮是难免的,尤其是欧洲主导,拖延本来就是欧洲人的生活方式。一直拖到2020年7月28日,项目算是进入了安装测试阶段。预计到2025年安装完成,2035年实现氘氚聚变。项目最后要花多少钱现在谁也说不清,反正现在预算已经大大超支了;美国估计可能得花600亿美元。

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ITER项目现场图


ITER目标是实现Q=10的核聚变能量输出,且放电时间达到20分钟左右,从而为未来的商业性核聚变发电打下基础。这里的Q是核聚变输出能量与输入能量之间的比值。可控核聚变需要能量输入来启动及维持聚变反应,因此输出的能量必须远大于输入的能量,否则没有实际意义。Q一定要大于一才不亏本,但实际上要想实现有商用竞争力的发电,Q需要在20甚至30以上才合适。

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中国的EAST


中国也有类似ITER的项目,名为EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak),大小只有ITER的1/4到1/3,2006年在合肥建成,花了3亿人民币,出了很多世界上最好的核聚变成果。比如在2020年4月,实现了一亿度的等离子放电,持续时间为10秒钟。

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EAST内部


3、 SPARC


MIT提出来SPARC的构想,是基于这么个原因:ITER的设计年代比较早,那时候的高温超导材料还不能提供很高的磁场强度;这几年高温超导磁场性能有了大幅提升,因此可以设计出更好的聚变反应堆。在下图中,红点代表现在实验室能获得的最强磁感应强度--45.5特斯拉(缩写为T),最下面的蓝线代表了商业上实用的磁感应强度。可见近年来20-30特斯拉的磁体产品已经商用了。

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磁铁性能的提升


ITER设计时的磁场为5.3T,而EAST仅为3.5T。下图给出了不同Q值下磁场强度和反应炉大小的关系,越大的Q值对应的曲线就越靠上。对于同样的Q值,T越大则尺寸越小,但T增加到15以上尺寸的减小就不明显了。T越大,磁场越强,则给等离子体的压力就越大,于是等离子体的密度得以提升,相应的等离子体的体积缩小,炉子就可以变小,建设成本也能降下来。

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磁场与反应炉大小的关系


因此MIT的思路很简单,就是借助于最近几年高温超导磁体方面的进步,造一个尽量小的炉子,起名SPARC(Smallest Possible ARC),起到和ITER类似的验证目的。然后就是下一步,ARC(Affordable,Robust,Compact),这将是真正的商业核聚变反应堆。

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SPARC 与ARC路线图


SPARC的磁场为12T,最高21T,Q值大于2,最高可以到10,聚变功率为100MW(ITER是500MW)。MIT已经从外界融资了大约2.5亿美元,打算从2021年开工建设,2025年点火实验。到了2030年代,开始建设ARC,实现商业化发电。

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MIT的SPARC设计概念图


4、 预测未来


MIT在核聚变方面有长时间的积累。比如前面图中的Alcator C-Mod,就是MIT的实验堆。不过MIT的SPARC2025年点火和ARC在2030年代商业发电的目标,仍然不啻于放了一颗高产卫星。假如MIT真的用区区几亿美金,建成接近于ITER水平的SPARC,那么世界其他国家的科学家们,该切腹的切腹,该上吊的上吊,免得浪费地球上的资源。

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MIT的Alcator C-Mod内部


当然,作为核聚变行业外的佰思科学,我们不具备判断SPARC是否靠谱的能力和资格(行业内的人也未必判断得了)。不过,我们手中有个利器可以利用一下,就是核聚变行业的摩尔定律。

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SPARC效果图


按照核聚变行业的发展历史,存在一个1.8年性能翻番的核聚变摩尔定律。当然这个规律未来是否仍然有效谁也不知道,我们只能把它当成一种信仰。

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EAST内部的等离子体(右上角数值为点火之后的时间)


目前等离子体H-mode(High confinement mode)下运行时间记录是今年EAST的一亿度10秒钟。一些具体运行参数EAST没有披露,因此这一数值或许要打一些折扣。对比ITER在2035年实现一亿度运行20分钟的目标,简单计算可知,在15年中性能可以增长322倍,对应3220秒,大约50多分钟,因此20分钟的小目标感觉靠谱。

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ARC和ITER的参数对比


实际上,MIT的ARC才能真正对标ITER,不过比ITER多了发电的能力,因为ITER毕竟还是实验目的。但是MIT没说ARC发电持续时间是多长,要也是一小时左右,那也还是靠谱的。但,这算得上商业发电吗?

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核聚变路线图


ITER的下一步才是真正的商业验证堆,叫做DEMO,预计投入使用的时间为2060年。按照核聚变摩尔定律,以ITER的20分钟为基准,DEMO能连续运行的时间大约是212天,离实用还有点距离,毕竟是验证堆。

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德国预测中国到本世纪末期能源构成(最上面黄色部分是核聚变)


德国人预计,聚变发电将在2070年代投入商用。按照摩尔定律,那时候反应堆持续运行时间能达到大约30年,这样长时间持续运行的核聚变反应堆才有实际意义。


不过,我们还是希望MIT能实现它的目标,谁不希望15年后就能看到核聚变发电呢?即便按照核聚变摩尔定律的预期,到了2070年我们也能用上聚变发电了。掐指一算,今年是2020年,那么到2070年,咦,怎么还有50年?

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