物理

核聚变领域'avenir ?

科学家们梦想着利用核聚变-恒星的引擎-带来无穷无尽的清洁能源。但是,即使应立即采取历史性步骤,也有人认为该项目是乌托邦式的或过早的。

迈克尔·莫耶 对于科学N°392
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点火或点火就在附近。在不到两年的时间里,在加利福尼亚利弗莫尔,nif的192束激光束将其巨大的功率集中在几毫米的球形小球上。 nif,即国家点火装置,是13年努力和40亿美元投资的结果。它可以媲美法国波尔多南部勒巴普(Le Barp)正在建造的lmj激光器。

设计这两种设备的目的是使激光束强烈压缩微气球的内容物-氢的同位素氘和tri-使其融合到原子核从而释放出能量(另请参阅第36页的文章。

换句话说,该想法是在受控条件下制造微型H型炸弹,以利用爆炸的能量。这已经过测试,并且成功。但是直到现在,科学家们必须为激光火提供比产生核聚变还要多的能量...这应该随着nif的生效而改变:熔化目标的中心将产生更多的能量。激光不会带来的能量。然后将迈出重要的一步。

从理论上讲,多余的能量可用于为发电站供电。氘是这种核聚变电站所必需的燃料,将从海水中提取出来,不会有大气排放或核废料……一切都会发生,就好像我们捕获了一颗小恒星一样,使机器在地球上工作而不必担心能源短缺。

激光或磁场

在普罗旺斯地区艾克斯以北的卡达拉奇,另一座主要核聚变设施的建设也在紧锣密鼓地进行:国际热核实验堆。在这个装置中,其成本估计约为100亿欧元(建造和运行超过20年),主要部件不是激光器。超导磁体将包含氢同位素混合物,该氢同位素混合物将被加热到约1.5亿度,或者是太阳表面温度的25,000倍。 Iter还应该产生比其消耗更多的能量。此外,与激光系统的间歇爆炸不同,迭代磁场将热等离子体(氘和tri的离子化气体)保持更连续的封闭状态,持续数十或数百秒(请参见文章第44页)。

但是,点燃核燃料可能只是控制核聚变的容易部分。聚变研究专家越来越认识到,建造和运营聚变电厂的挑战可能要困难得多。一些没有直接参与聚变研究的物理学家甚至怀疑这个目标是否可以实现,即使在理论上也是如此。

运转中的反应堆应由能够承受数百万度温度长达数年的材料制成。我们将看到高能粒子的永久照射,使普通材料易碎且具有放射性的条件。反应堆还需要通过复杂的过程生产自己的tri,这是燃料的两种成分之一。为了有效地整合到电网中,这样的工厂将必须连续运行数十年,而不会出现中断或事故。

“目前的普遍态度是承认存在困难,但将其视为可克服的问题,必须先着眼于合并本身才能解决,” Richard Hazeltine说。德克萨斯大学奥斯汀分校融合研究学院。可能是个错误。 ”

星星的能量

至少从1860年代开始,融合-或对这种现象的无知-就使科学家感到困惑。为了解释地球上令人难以置信的生命多样性,查尔斯·达尔文(Charles Darwin)关于自然选择的物种进化理论认为,微小的变化已经累积了数亿年。但是,著名的英国物理学家威廉·汤姆森(Lord Kelvin)的计算表明,太阳的年龄几乎不会超过几千万年。正如美国作家查尔斯·塞菲(Charles Seife)在其2008年的《瓶中的太阳》中叙述的那样,达尔文将汤姆森的批评视为其理论的主要困难之一。他有点尴尬地回答说,关于宇宙定律的知识是如此不完整,以至于科学家不得不保留判断力。

达尔文是对的。在物理学家开发出必要的概念性工具以了解使太阳发光的原因之前,已经过去了约70年。在1930年左右,物理学家知道,所有物质都是由原子组成的,原子的核由带正电的质子和不带电的中子组成(氢是唯一的例外-氢的核由单个质子组成。 )。爱因斯坦(Albert Einstein)通过他著名的公式E = mc2证明了质量可以转化为能量。光谱研究表明,太阳不是像开尔文所假设的那样由熔融岩石构成,而是主要由氢和少量氦组成。

1938年,德国出生的物理学家汉斯·贝特(Hans Bethe)意识到,太阳中心的压力如此之高,以至于氢核堆积在那里,以至于克服了相同符号的电荷之间的排斥。 Bethe写下了氢核融合的四步反应。该融合反应的最终产物比初始成分轻一些。缺失的物质最终以能量的形式,为太阳提供动力。

高压高温

这种复杂的连锁反应需要仅存在于恒星中心的压力和温度。诱导聚变的一种更简单的方法涉及氢的两个同位素:氘(D,由质子和中子形成的核)和tri(T,由质子和中子形成的核)。两个中子)。氘核和t核的融合通过释放中子和一定量的能量产生氦核(两个质子,两个中子)。

氘和tri之间的这种聚变反应在温度和压力方面的要求不如氢核的聚变,但仍释放大量能量。如果科学家设法以可控的方式引发核聚变,那么能源问题将得到解决。燃料丰富:海水中存在氘,而反应堆中可能生成tri。而且,与裂变不同,聚变不会产生长寿命的放射性副产物,即核废料。从理论上讲,每100升海水中的3.3克氘相当于660吨石油的能量,唯一的释放就是一团氦。

最早的核聚变反应堆概念出现在1950年代初期,普林斯顿大学的莱曼·斯皮策(Lyman Spitzer)计算出他的“恒星”(拉丁恒星为恒星)将产生150兆瓦的功率,足以为150,000功率供电家园。他设计的装置基于这样一个事实,即在聚变所需的高温下,所有电子都从它们的原子上被撕裂了。这样形成的带电粒子的汤,称为等离子体,由于磁场而可以保持受控。从本质上讲,斯必泽的恒星仪由一个即使将等离子体加热到数百万度也能约束等离子体的磁性瓶组成。我们说的是“磁性限制”。

但是,斯皮策及其继任者对等离子体的行为没有很好的理解。他们很快意识到等离子根本无法正常工作。想象一个大海绵气球。尝试尽可能压缩它。无论您如何处理,一些海绵总是会滑过您的手指。血浆的行为方式相同:当您尝试将其浓缩到足够小的体积以诱导融合时,血浆便找到了出路。这是聚变反应堆所有原理面临的障碍:加热和浓缩等离子体的次数越多,其对安全壳作用的抵抗力就越大。

科学家奋斗了60年,以使用越来越大的磁性瓶控制等离子体。每次为改进前一台机器而设计的,旨在纠正前一台机器的弱点的机器时,所达到的更高能量都暴露出一系列新的困难。 Argonne和Oak Ridge国家实验室的聚变研究计划前主任,现任技术咨询委员会主席Charles Baker说:“无论用它做什么,等离子体总是有点不稳定。”美国的迭代器。

1970年代的能源危机也见证了控制融合研究的新途径的诞生,即“惯性约束”。

获得比您提供的更多的能量

该方法涉及使用大量激光束压缩和加热氘和tri靶。这些测试是在美国军事融合计划所在地劳伦斯·利弗莫尔国家实验室进行的,从两束设备开始。激光功率的进步导致1977年出现了Shiva(印度教创造与毁灭之神的名字),然后在1984年出现了Nova。这些研究程序均打破了脉冲功率的世界纪录。激光。但是,就像在磁约束方法中一样,我们无法达到能量产生的阈值,在这一点上聚变产生的能量比激光器提供的能量更多。为实现这一目标,利弗莫尔实验室需要的激光功率是以前的70倍。并且在1997年,nif的建造开始了。

从外部看,nif令人印象深刻。这座无窗建筑被漆成中性米色,大约相当于飞机机库的大小。与所有重型科学设备一样,例如CERN的大型lhc对撞机,它是该设施中受人尊敬的掩埋部分。在内部,部署了数十个一米宽的管道。它们通向反应室,反应室是一个三层高的球体,上面装有可让激光通过的孔。在这个小室的中心是氘-靶,由看起来像巨型笔的东西握住。

激光束将以微米精度聚焦到目标。脉冲的总功率(在很短的一秒钟内)将远远超过整个美国电网的脉冲,从而压缩了该目标。

尽管nif旨在达到能源生产的极限,但其存在的主要原因与核爆炸的模拟有关。 1996年,比尔·克林顿总统签署了《全面禁止核试验条约》。但是,为了确保现有的武器库保持良好的运转状态,专门研究核武器的美国实验室(洛斯阿拉莫斯和利弗莫尔实验室)已经建立了旨在维护核武器的维护和测试计划。确保提供给美国的约5,200枚核弹头的可靠性。

大多数维护操作仅包括例行检查和零件更换。该程序的另一个组件是核爆炸的计算机模拟。但是,相应的物理模型对初始条件非常敏感。 nif旨在提供对这些模型进行校准所必需的数据,这些数据来自对微小的---爆炸进行的测量。该设施还将为基础研究提供服务,以研究极端温度,压力,密度或场下的物质物理学,例如超新星产生的冲击波。
nif,要过15年吗?

据预测,nif将在今年开始其氘-tri混合物的融合实验,如果一切顺利,则将在大约一年后达到能量生产阈值。国家情报局局长爱德华·摩西回忆说,这不是发电厂生产能源的门槛。从燃料颗粒中获得的能量要比激光脉冲沉积的1.8兆焦耳的能量多。 Nif应该在迭代前15年达到此阈值。

无论如何进行聚变,无论是使用兆焦耳激光还是磁场进行聚变,产生的能量均以中子形式表现出来。这些粒子是中性的,不会被电场和磁场偏转。另外,它们通过大多数材料。阻止它们的唯一方法是让它们直接撞击原子核。
但是这样的碰撞确实会破坏:氘-聚变反应产生的中子能量很高,以至于它们可以将原子核移出它在材料(例如钢)中的位置。从长远来看,所有这些冲击都会削弱反应堆并使其结构易碎。
中子还可以诱导放射性,因为中子对原子核的撞击会使其不稳定。贝克解释说:“即使它们来自纯净的反应,连续的中子通量也会对所有普通物质产生危险的放射性。”

t原位创建

基于聚变的发电厂将需要将中子能量转换成热量,并将其用于转动涡轮机。拟议的反应堆将在其壁上完成这种转化。给定的中子撞击壁上原子的概率很低;但是足够厚且用合适材料制成的毯子-也许是几英尺厚的钢铁-将捕获几乎所有发射的中子。中子-核碰撞将加热毯子,而传热介质(例如液体盐)将从反应堆中带走热量。这种非常热的液态盐将用于产生水蒸气,水蒸气将使涡轮旋转以发电。

除了不是那么简单。反应堆毯具有另一功能,与热回收和传递一样重要:生产反应堆中使用的燃料。氘便宜而丰富,但tri不稳定且寿命短(12.3年):实际上必须通过核反应获得。一家普通的(裂变)核电厂每年可以生产两到三公斤,估计成本为每公斤6000万到9000万欧元。但是,一个磁约束聚变电厂每周将消耗约一公斤的!!加利福尼亚大学洛杉矶分校融合科学与技术中心主任穆罕默德·阿卜杜坚持说:“聚变的需求远远超出了裂变所能提供的范围。”

为了生产自己的tri,聚变电站将需要使用其发射的一些中子。在反应堆毯子内部,锂通道(一种柔软的,高反应性的金属)有望捕获快中子并产生氦和see(见下图)。 would将通过通道逸出,重新注入反应器内的等离子体中。

但是,如果您仔细查看它,记录将变得不稳定。每个聚变反应仅消耗一个one核,并产生一个中子。因此,从反应堆出来的每个中子必须产生至少一个核(否则,反应堆将消耗更多的produces)。
这只有在科学家可以引发复杂的反应级联的情况下才有可能。中子通过撞击锂7核开始,锂7核产生produces核,氦核和中子。然后,该第二中子撞击锂6核,并生成第二tri核和氦核。

此外,must必须以几乎100%的效率收集并重新引入血浆。苏黎世瑞士联邦理工学院(eth)的粒子物理学家迈克尔·迪特玛(Michael Dittmar)说:“在这种连锁反应中,您一定不能失去任何中子,否则反应将停止。” [在建造反应堆之前]要做的第一件事是证明tri的生产是可行的。 ”

哈泽尔廷(R. Hazeltine)则着重强调了反应堆盖必须具有特殊性能的程度:“它必须接受大量热量,并且必须传递热量而不会过热;它必须收集中子,而且构成它的非常精细的材料也必须使其使用寿命长。此外,她还必须利用这些中子将锂转化为tri。 ”

计划在生成generating的迭代模块中进行测试。同时,还有一个更具体的项目,即IFMIF(国际聚变材料辐照设施),用于建造加速器以生产聚变反应堆的中子和测试覆盖材料。阿卜杜先生估计,要充分掌握与屋面材料有关的所有问题,以建设一个运转正常的聚变电站,将需要30至75年的时间。 “我认为这是可行的,”他说,“但这是很多工作。 ”

一个可行的行业?

假设此问题已解决。我们已经到了2050年。nif和iter都取得了圆满成功,并且在遵守预算的同时实现了能源增值的目标……当科学家们增加预算时,自然并不会给他们带来不愉快的惊喜两个装置中每一个所涉及的能量;奇妙的等离子体终于表现出预期的效果。一个单独的试验台已经证明了反应堆毯的可行性,该毯能够产生tri并消除由于中子产生的热量,从而可以将其转化为电能,同时抵抗其产生的亚原子攻击。每天将在一家聚变电站中进行。并假设一家聚变电站的估计成本仅为100亿欧元。那么,我们将有一个新的可用能源通道吗?

即使对于那些致力于控制融合的开拓者来说,也很难回答。问题在于,像通常的裂变电厂一样,聚变电厂将不得不连续发电。鉴于其较高的初始成本,他们只有持续经营才能获利。贝克说:“当一个系统需要大量投资时,您必须能够一天24小时运行它,因为您无需支付燃料费用。”

不幸的是,很难维持稳定的血浆足够长的时间。到目前为止,反应器已设法将熔融等离子体维持不到一秒钟。关键是将此时间延长到数十或数百秒。转向24小时等离子体融合将是向前迈出的一大步。 Baker估计:“合并将必须在90%的时间内进行。”计算维护所需的停机时间。 “到目前为止,这是未来聚变反应堆经济可行性不确定性的最大来源。 ”

nif的主管E. Moses认为他有游行队伍。他提出了混合聚变的概念。该系统将使用由激光触发的聚变产生的中子来控制由……核废料制成的毯子中的裂变反应。他称自己的系统寿命为(英语为激光惯性聚变引擎),并声称能够在20年内交付按此原理运行的发电厂。

E. Moses设计的系统基于这样一个事实,即在移出燃料棒并储存之前,仅使用了供应裂变电厂的铀的5%。保质期长。生命会用中子轰击这种乏燃料,加速其衰变成更轻,放射性更低的物质,同时产生可用的热量来发电。摩西说:“我们的研究表明,我们将与当今可用的所有能源竞争。”甚至更便宜。 ”

目标费用是多少?

当然,生活并非没有缺点。根据加州大学伯克利分校核工程学教授爱德华·莫尔斯(Edward Morse)的说法,每个领域都有其神秘之处,必须加以发掘。 “受控激光融合的主要奥秘在于,它声称目标可以几美分就可以生产。所讨论的目标(胡椒粉大小)必须非常精确地加工,并且必须完全球形,以确保压缩是各向同性的。轻微的扭曲和目标都不会点燃...

目标目前制造非常昂贵。利弗莫尔实验室计划现场生产其目标,但未发布成本估算。但是罗切斯特大学的激光能量实验室也生产氘-靶。 “目前,该实验室用于产生目标的年度预算为几百万美元,而每年仅产生约六个,” Morse说。因此,我们可以推断出每个目标的成本约为一百万美元。 ”
但是,在生产中,将不会以能够每隔几个小时发射一次射击的nif的速率使用目标,而是以机关枪的速率使用。 “特别是,您将需要一台能够每分钟发射600次的机器,” Moses说。这将像一百万马力的汽车发动机,除非不会排放任何碳。。。“一个24小时发电厂每天将使用约90,000个目标。

当然,不可能预测20年的能源状况。通过热核聚变产生的能量可能比以往更需要。相比之下,相比之下,太阳能,风能或其他形式的能源的突破也可能使聚变显得太昂贵或难以利用。 “人们可能会说,是的,它确实有效,很棒,但是我们不再需要它了,因为我们还有其他选择,” Hazeltine说。

过去,热核聚变是在这种考虑之上。它似乎与使用化石燃料生产能源完全不同,化石燃料如此污染,或铀如此危险。 Fusion代表了我们能源需求的最终,美丽而纯净的解决方案。这种愿景正在消散。合并只是一条可能的途径,它需要数十年的时间才能取得成果。点火可能已近,但无限能源时代尚未到来。

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