第五百四十九章換一種聚變方式
更新時間:2024-07-13 作者:少一尾的九尾貓
大國院士 第五百四十九章換一種聚變方式
辦公室中，徐川和梁曲閑聊了一會，聽了一下后續的工作安排。 仿星器的實驗他已經沒有插手了，幾乎都放給了能源研究所這邊安排，華星聚變裝置的第一次運行，數據還是相當的漂亮的。 不過他還是有一些其他方面的擔憂。 當然，他并不是擔心仿星器無法實現真正的點火運行，這個點他不擔心。 由綜合型托卡馬克裝置改變成先進型仿星器裝置，路線更換的過程中需要調整的東西雖然有不少，但核心仍然是建立在磁約束理論的基礎上的。 而磁約束的核心，摸過等離子體湍流的數控模型、第一壁材料和約束磁場這三大塊了。 這三塊核心，在破曉聚變裝置上他們早就搞定了。 徐川擔心的，原本有兩塊，第一塊是小型化的可行性，另一個則是仿星器的功率可能不足，即實現點火后，引導出來的能量，可能遠遠不夠。 第一個問題從如今的實驗數據來看已經沒什么太大的問題了。 但第二個問題，還不知道是什么情況。 仿星器的優點在于等離子體湍流的控制比托卡馬克裝置要強很多，但它的功率，也是公認的比托卡馬克裝置要低。 它的輸出很難，或者說幾乎無法和托卡馬克裝置相比了。 這是因為仿星器的結構而注定的事情，也是徐川最為擔心的一塊地方。 尤其是的小型化后，功率可能會更低，低到產生的能量完全不夠的地步。 畢竟體積小了，反應堆腔室中能容納的等離子體數量也會更少，而氘氚等離子體的數量少的話，其碰撞形成聚變的概率也就更小。 可控核聚變反應堆，并不是說實現了點火，穩定了等離子體湍流的運行，完成了氘氚聚變并能將能量引導出來就行了。 這些只是聚變的基礎，而在基礎上，還有個東西叫做Q值。 這里其實涉及到怎樣才能算是“實現了可控核聚變”這一個概念。 可能會有很多人認為，只要是維持了反應堆腔室中等離子體運行，讓其聚變并且能引導出來能量就是實現了可控核聚變。 但實際上嚴格意義上來說并不是。 核聚變不是隨隨便便就可以點燃的，我們需要先向反應爐輸入能量才有可能從中得到輸出的能量（這指的是通過ICRF加熱天線提升等氘氚離子體的溫度，讓其碰撞聚變，產生更多的溫度）。 如果將輸入的能量看做‘輸入X’，那么在維持等離子體運行的基礎上，從反應堆中引導出來的能量，就是‘輸出Y’。 而YX的差值，就是所謂的Q值。 只有當Q值等于一的時候，反應堆才能不需要外界的能量輸入，依靠自身的聚變反應來維持穩定。 而Q值超過1，則代表值反應堆可以向外面輸出能量，Q值越高，輸出的能量也就越高。 但由于目前的科技，發電站并不能對核聚變產生的能量進行100的轉化，理論上來講能達到40至50就非常了不起了，破曉聚變堆使用了磁流體機組傳統熱機也就達到了73而已。 再加上其他的各種損耗，粗略的進行估算，Q值等于2.5的時候，可控核聚變就可以“保本”，即投入的‘錢’和發電產出的‘錢’平衡了。 只是顯而易見的是，光是“保本”是不行的，考慮到龐大的基礎設施以及后續的維護成本，科學家普遍認為，可控核聚變的“Q值”至少要大于50，才能算是真正實現了可控核聚變技術。 而破曉聚變裝置的Q值，超過三位數。 這也是徐川當初選擇托卡馬克裝置作為目標的原因，托卡馬克裝置的內部溫度更高，反應堆腔室規整，能容納的氘氚等離子體更多，產生的Q值會更大。 聽著徐川提出的這個問題，梁曲思索了一下，回道：“提升聚變的溫度或許可以解決這個問題？” 徐川點了點頭，道：“這的確是一個辦法，可以考慮。不過提升溫度，對于仿星器來說，一方面難度較大，另一方面可能有點治標不治本。” “環形磁場中的帶電粒子一般需要沿環運動多圈才能連接底部和頂部，從而進行有效地中和電荷積累。但這一點對仿星器很不利，仿星器的各種形態的線圈數目非常多且極不規則，會形成大量局部磁鏡。” “而磁鏡是可以在一定程度上約束帶電粒子的，這將導致一些粒子被“捕獲”在局部磁鏡中，無法完整地完成環向運動，也就不能消除磁場曲率和磁場梯度帶來的漂移，進而導致粒子損失。” “特別是用于加熱其它粒子的高能離子，由于碰撞頻率很低，一旦被局域磁鏡捕獲就幾乎逃不出來，損失很快。這對于聚變堆的自持加熱（聚變反應產生的3.5MeV氦原子核加熱氘和氚）是極為重要的。” 梁曲提出的建議的確可行，因為溫度越高，粒子的活躍性就越高，越是活躍，產生的碰撞幾率就越大。 但他更多思索的，是如何從根源上去解決這個問題。 這些天他一直都在思索如何重構仿星器的外場線圈和磁鐵繞組，并不是單純的因為三維結構的改進型超導體線圈的生產太難，還有一部分原因也是在想辦法解決這個問題。 聞言，梁曲也有些頭大，皺眉思索了一番后開口說道：“但是仿星器的結構，要改變的話難度實在太大了。” “它本身就是通過極高的工程難度來降低磁約束的難度的，如果重新構設的話，難度先不說，改變了它的結構，是否還能繼續小型化也是個很麻煩的事情。” 徐川搖搖頭道：“不，仿星器的整體結構和形狀不能進行大幅度的調整和修改，調整了的話我們需要面對等離子體磁島、磁面撕裂、扭曲摸效應等問題。” “而這些問題在小型化的過程中我們暫時根本就沒有手段解決，所以只能依賴仿星器特殊的結構來避開。” 聞言，梁曲皺著眉道：“那這樣的話就難了，目前來看，仿星器是小型化最有希望的一個，如果仿星器都行不通的話，我真不知道還有什么能行得通，球床？還是慣性約束？” 徐川思考了一下，道：“球床也需要面對等離子體磁面撕裂的問題，解決的辦法幾乎沒有，慣性約束這條路線我都不知道它能否走通聚變，暫時先放棄。” “那你的想法呢？” 梁曲皺著眉頭看向徐川詢問道，在可控核聚變領域，他才是被譽為‘可控核聚變之父’的第一人。 思索了一下，徐川開口道：“我在考慮兩方面的東西。” “哪兩方面？” “第一方面是改造仿星器的磁鐵繞組和外場線圈。” 說著，徐川將辦公桌上的稿紙整理了一下，遞給了梁曲：“你看看這個，之前西部超導集團那邊反饋三維結構的外場線圈和磁鐵繞組生產極其困難，針對這個問題，我結合了一下剛剛說的仿星器能效過低的問題進行重構了一下外場線圈和磁鐵繞組的結構。” 看著推過來的稿紙，梁曲眼神閃爍了一些，帶著些許的好奇接了過來。 “永磁體仿星器？” 看著稿紙上的標題，梁曲念叨了一句，認真的翻閱了起來。 徐川點了點頭，抿了一口茶水后開口說道：“仿星器的問題在于兩方面，一是傳統仿星器磁場的波紋度比托卡馬克大，導致其新經典輸運水平和高能粒子損失水平高于托卡馬克裝置。” “二是它需要三維結構的線圈，結構復雜、制造難度大、成本相當高。” “所以如何降低仿星器的新經典輸運水平和高能粒子損失水平，以及用工程簡單的永磁體塊產生所需的三維磁場是研究難點” 聽到這話，正在翻閱稿紙的梁曲插了一句：“你這是準備用永磁體來代替原先磁鐵繞組？” 徐川點了點頭，道：“從理論計算來看，通過仿星器磁場位形優化，可以實現精確準對稱，進而證明仿星器在理論上是可以實現和托卡馬克相當的新經典輸運水平和高能粒子損失水平的。” “而這方面的設計可以通過優化外場線圈和磁鐵繞組來進行。” “如果先對磁鐵繞組進行修改，將永磁體塊大小、形狀，剩磁強度完全相同且磁化方向為有限個指定方向之一，可以在螺旋石7X原有的基礎上，將永磁體和準對稱位形結合起來，重構成新的永磁仿星器，或許能解決這兩個問題。” 翻閱著手中的稿紙，聽著徐川的講解，梁曲的眼神也明亮了幾分。 他順著徐川的話繼續道：“相比于目前的仿星器采用的極為復雜的三維扭曲線圈，可批量制造的標準化磁體塊以及簡單線圈的低生產成本和低工程難度對仿星器的設計、建造、維護都極大程度的削弱了工程難度。” “而且統一的大小、形狀使得永磁體塊可以拼裝起來，有利于裝配精度控制。” “妙啊！” “這思路，絕了！” 說到最后，梁曲都忍不住豎起了大拇指，不愧是可控核聚變之父，在這一領域上的理解，超出了常人最少十幾年的時間。 徐川笑了笑，輕輕的搖了搖頭，開口說道：“即便是它可行，這也只是解決工程難度的辦法。而高能粒子損失問題，亦或者說聚變能量不夠的問題，恐怕還得另想辦法。” 梁曲點了點頭，開口問道：“還有一個方面呢？想來應該就是伱所考慮的解決高能粒子損失問題，或者說聚變能量不夠的問題的辦法了吧？” 既然這位提出了問題，那么他肯定考慮過解決辦法。 而他剛剛也說了，在工程難度和高能粒子損失問題上，他都有考慮，這會他更好奇這位是通過一種怎樣的方式來解決高能粒子損失問題的。 永磁體仿星器的設計，在他看來真的是驚艷無比。 不算很大幅度的改動，既保留了原有仿星器無磁面撕裂效應的優勢，又極大程度的削弱了工程難度，這構思，絕妙無比。 聽到梁曲詢問第二個方面，徐川笑著開口道：“第二個方面便是換一種聚變原料。” “換一種聚變原料？”梁曲疑惑的看了過來，眼神中帶著一些不解。 徐川點了點頭，開口道：“沒錯，更換一種聚變原料。” 頓了頓，他接著道：“我們選擇可控核聚變原料的時候，一般都會選擇氫的同位素來進行，因為質量輕的原子核之間的靜電斥力最小，也最容易發生聚變反應。” “所以要實現核聚變的物質一般是首先選擇氫的同位素氘和氚，破曉聚變裝置使用就是這個。” “而氘氚核聚變的優點是反應條件最寬松，反應溫度要求最低，但缺點是中子帶來的材料劣化，以及高能中子帶走了大部分的能量無法利用等問題。” “雖然對中子的重新利用可以用于完成氚自持，但高能中子帶走的能量，絕大部分都浪費了。” “所以實際上它雖然釋放出來的能量很多，但我們能利用的部分卻很少。” “而且氘氚聚變裝置還需要使用第一壁材料和外圍防護材料來應對高能中子的沖擊，進一步的增加了的聚變堆的體積。” “所以在氘氚聚變的基礎上，我準備更換聚變的原料。” 聞言，梁曲認同的點了點頭，開口說道：“這些的確都是氘氚聚變的缺點，不過更換一種聚變原料的話.” 頓了頓，他接著道：“在之前，可控核聚變研究的主流領域除了氘氚聚變外，還有氘·氦三聚變、氦三·氦三聚變、氘氘聚變、氫硼聚變等幾種方式。” “相對比氘氚聚變來說，這些聚變方式的難度都更高，各有各的優勢和缺點，不知道你考慮的是哪一種？” (本章完) 大國院士 第五百四十九章換一種聚變方式
辦公室中，徐川和梁曲閑聊了一會，聽了一下后續的工作安排。 仿星器的實驗他已經沒有插手了，幾乎都放給了能源研究所這邊安排，華星聚變裝置的第一次運行，數據還是相當的漂亮的。 不過他還是有一些其他方面的擔憂。 當然，他并不是擔心仿星器無法實現真正的點火運行，這個點他不擔心。 由綜合型托卡馬克裝置改變成先進型仿星器裝置，路線更換的過程中需要調整的東西雖然有不少，但核心仍然是建立在磁約束理論的基礎上的。 而磁約束的核心，摸過等離子體湍流的數控模型、第一壁材料和約束磁場這三大塊了。 這三塊核心，在破曉聚變裝置上他們早就搞定了。 徐川擔心的，原本有兩塊，第一塊是小型化的可行性，另一個則是仿星器的功率可能不足，即實現點火后，引導出來的能量，可能遠遠不夠。 第一個問題從如今的實驗數據來看已經沒什么太大的問題了。 但第二個問題，還不知道是什么情況。 仿星器的優點在于等離子體湍流的控制比托卡馬克裝置要強很多，但它的功率，也是公認的比托卡馬克裝置要低。 它的輸出很難，或者說幾乎無法和托卡馬克裝置相比了。 這是因為仿星器的結構而注定的事情，也是徐川最為擔心的一塊地方。 尤其是的小型化后，功率可能會更低，低到產生的能量完全不夠的地步。 畢竟體積小了，反應堆腔室中能容納的等離子體數量也會更少，而氘氚等離子體的數量少的話，其碰撞形成聚變的概率也就更小。 可控核聚變反應堆，并不是說實現了點火，穩定了等離子體湍流的運行，完成了氘氚聚變并能將能量引導出來就行了。 這些只是聚變的基礎，而在基礎上，還有個東西叫做Q值。 這里其實涉及到怎樣才能算是“實現了可控核聚變”這一個概念。 可能會有很多人認為，只要是維持了反應堆腔室中等離子體運行，讓其聚變并且能引導出來能量就是實現了可控核聚變。 但實際上嚴格意義上來說并不是。 核聚變不是隨隨便便就可以點燃的，我們需要先向反應爐輸入能量才有可能從中得到輸出的能量（這指的是通過ICRF加熱天線提升等氘氚離子體的溫度，讓其碰撞聚變，產生更多的溫度）。 如果將輸入的能量看做‘輸入X’，那么在維持等離子體運行的基礎上，從反應堆中引導出來的能量，就是‘輸出Y’。 而YX的差值，就是所謂的Q值。 只有當Q值等于一的時候，反應堆才能不需要外界的能量輸入，依靠自身的聚變反應來維持穩定。 而Q值超過1，則代表值反應堆可以向外面輸出能量，Q值越高，輸出的能量也就越高。 但由于目前的科技，發電站并不能對核聚變產生的能量進行100的轉化，理論上來講能達到40至50就非常了不起了，破曉聚變堆使用了磁流體機組傳統熱機也就達到了73而已。 再加上其他的各種損耗，粗略的進行估算，Q值等于2.5的時候，可控核聚變就可以“保本”，即投入的‘錢’和發電產出的‘錢’平衡了。 只是顯而易見的是，光是“保本”是不行的，考慮到龐大的基礎設施以及后續的維護成本，科學家普遍認為，可控核聚變的“Q值”至少要大于50，才能算是真正實現了可控核聚變技術。 而破曉聚變裝置的Q值，超過三位數。 這也是徐川當初選擇托卡馬克裝置作為目標的原因，托卡馬克裝置的內部溫度更高，反應堆腔室規整，能容納的氘氚等離子體更多，產生的Q值會更大。 聽著徐川提出的這個問題，梁曲思索了一下，回道：“提升聚變的溫度或許可以解決這個問題？” 徐川點了點頭，道：“這的確是一個辦法，可以考慮。不過提升溫度，對于仿星器來說，一方面難度較大，另一方面可能有點治標不治本。” “環形磁場中的帶電粒子一般需要沿環運動多圈才能連接底部和頂部，從而進行有效地中和電荷積累。但這一點對仿星器很不利，仿星器的各種形態的線圈數目非常多且極不規則，會形成大量局部磁鏡。” “而磁鏡是可以在一定程度上約束帶電粒子的，這將導致一些粒子被“捕獲”在局部磁鏡中，無法完整地完成環向運動，也就不能消除磁場曲率和磁場梯度帶來的漂移，進而導致粒子損失。” “特別是用于加熱其它粒子的高能離子，由于碰撞頻率很低，一旦被局域磁鏡捕獲就幾乎逃不出來，損失很快。這對于聚變堆的自持加熱（聚變反應產生的3.5MeV氦原子核加熱氘和氚）是極為重要的。” 梁曲提出的建議的確可行，因為溫度越高，粒子的活躍性就越高，越是活躍，產生的碰撞幾率就越大。 但他更多思索的，是如何從根源上去解決這個問題。 這些天他一直都在思索如何重構仿星器的外場線圈和磁鐵繞組，并不是單純的因為三維結構的改進型超導體線圈的生產太難，還有一部分原因也是在想辦法解決這個問題。 聞言，梁曲也有些頭大，皺眉思索了一番后開口說道：“但是仿星器的結構，要改變的話難度實在太大了。” “它本身就是通過極高的工程難度來降低磁約束的難度的，如果重新構設的話，難度先不說，改變了它的結構，是否還能繼續小型化也是個很麻煩的事情。” 徐川搖搖頭道：“不，仿星器的整體結構和形狀不能進行大幅度的調整和修改，調整了的話我們需要面對等離子體磁島、磁面撕裂、扭曲摸效應等問題。” “而這些問題在小型化的過程中我們暫時根本就沒有手段解決，所以只能依賴仿星器特殊的結構來避開。” 聞言，梁曲皺著眉道：“那這樣的話就難了，目前來看，仿星器是小型化最有希望的一個，如果仿星器都行不通的話，我真不知道還有什么能行得通，球床？還是慣性約束？” 徐川思考了一下，道：“球床也需要面對等離子體磁面撕裂的問題，解決的辦法幾乎沒有，慣性約束這條路線我都不知道它能否走通聚變，暫時先放棄。” “那你的想法呢？” 梁曲皺著眉頭看向徐川詢問道，在可控核聚變領域，他才是被譽為‘可控核聚變之父’的第一人。 思索了一下，徐川開口道：“我在考慮兩方面的東西。” “哪兩方面？” “第一方面是改造仿星器的磁鐵繞組和外場線圈。” 說著，徐川將辦公桌上的稿紙整理了一下，遞給了梁曲：“你看看這個，之前西部超導集團那邊反饋三維結構的外場線圈和磁鐵繞組生產極其困難，針對這個問題，我結合了一下剛剛說的仿星器能效過低的問題進行重構了一下外場線圈和磁鐵繞組的結構。” 看著推過來的稿紙，梁曲眼神閃爍了一些，帶著些許的好奇接了過來。 “永磁體仿星器？” 看著稿紙上的標題，梁曲念叨了一句，認真的翻閱了起來。 徐川點了點頭，抿了一口茶水后開口說道：“仿星器的問題在于兩方面，一是傳統仿星器磁場的波紋度比托卡馬克大，導致其新經典輸運水平和高能粒子損失水平高于托卡馬克裝置。” “二是它需要三維結構的線圈，結構復雜、制造難度大、成本相當高。” “所以如何降低仿星器的新經典輸運水平和高能粒子損失水平，以及用工程簡單的永磁體塊產生所需的三維磁場是研究難點” 聽到這話，正在翻閱稿紙的梁曲插了一句：“你這是準備用永磁體來代替原先磁鐵繞組？” 徐川點了點頭，道：“從理論計算來看，通過仿星器磁場位形優化，可以實現精確準對稱，進而證明仿星器在理論上是可以實現和托卡馬克相當的新經典輸運水平和高能粒子損失水平的。” “而這方面的設計可以通過優化外場線圈和磁鐵繞組來進行。” “如果先對磁鐵繞組進行修改，將永磁體塊大小、形狀，剩磁強度完全相同且磁化方向為有限個指定方向之一，可以在螺旋石7X原有的基礎上，將永磁體和準對稱位形結合起來，重構成新的永磁仿星器，或許能解決這兩個問題。” 翻閱著手中的稿紙，聽著徐川的講解，梁曲的眼神也明亮了幾分。 他順著徐川的話繼續道：“相比于目前的仿星器采用的極為復雜的三維扭曲線圈，可批量制造的標準化磁體塊以及簡單線圈的低生產成本和低工程難度對仿星器的設計、建造、維護都極大程度的削弱了工程難度。” “而且統一的大小、形狀使得永磁體塊可以拼裝起來，有利于裝配精度控制。” “妙啊！” “這思路，絕了！” 說到最后，梁曲都忍不住豎起了大拇指，不愧是可控核聚變之父，在這一領域上的理解，超出了常人最少十幾年的時間。 徐川笑了笑，輕輕的搖了搖頭，開口說道：“即便是它可行，這也只是解決工程難度的辦法。而高能粒子損失問題，亦或者說聚變能量不夠的問題，恐怕還得另想辦法。” 梁曲點了點頭，開口問道：“還有一個方面呢？想來應該就是伱所考慮的解決高能粒子損失問題，或者說聚變能量不夠的問題的辦法了吧？” 既然這位提出了問題，那么他肯定考慮過解決辦法。 而他剛剛也說了，在工程難度和高能粒子損失問題上，他都有考慮，這會他更好奇這位是通過一種怎樣的方式來解決高能粒子損失問題的。 永磁體仿星器的設計，在他看來真的是驚艷無比。 不算很大幅度的改動，既保留了原有仿星器無磁面撕裂效應的優勢，又極大程度的削弱了工程難度，這構思，絕妙無比。 聽到梁曲詢問第二個方面，徐川笑著開口道：“第二個方面便是換一種聚變原料。” “換一種聚變原料？”梁曲疑惑的看了過來，眼神中帶著一些不解。 徐川點了點頭，開口道：“沒錯，更換一種聚變原料。” 頓了頓，他接著道：“我們選擇可控核聚變原料的時候，一般都會選擇氫的同位素來進行，因為質量輕的原子核之間的靜電斥力最小，也最容易發生聚變反應。” “所以要實現核聚變的物質一般是首先選擇氫的同位素氘和氚，破曉聚變裝置使用就是這個。” “而氘氚核聚變的優點是反應條件最寬松，反應溫度要求最低，但缺點是中子帶來的材料劣化，以及高能中子帶走了大部分的能量無法利用等問題。” “雖然對中子的重新利用可以用于完成氚自持，但高能中子帶走的能量，絕大部分都浪費了。” “所以實際上它雖然釋放出來的能量很多，但我們能利用的部分卻很少。” “而且氘氚聚變裝置還需要使用第一壁材料和外圍防護材料來應對高能中子的沖擊，進一步的增加了的聚變堆的體積。” “所以在氘氚聚變的基礎上，我準備更換聚變的原料。” 聞言，梁曲認同的點了點頭，開口說道：“這些的確都是氘氚聚變的缺點，不過更換一種聚變原料的話.” 頓了頓，他接著道：“在之前，可控核聚變研究的主流領域除了氘氚聚變外，還有氘·氦三聚變、氦三·氦三聚變、氘氘聚變、氫硼聚變等幾種方式。” “相對比氘氚聚變來說，這些聚變方式的難度都更高，各有各的優勢和缺點，不知道你考慮的是哪一種？” (本章完) 大國院士 第五百四十九章換一種聚變方式
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