问题

核聚变怎么实现发电,有概念模型吗?

回答
核聚变发电,听起来就像科幻小说里的情节,但它却是人类一直以来追求的终极能源梦想之一。简单来说,核聚变就是把两个轻原子核,像氢一样,在极高的温度和压力下“捏”在一起,形成一个更重的原子核,同时释放出巨大的能量。这和我们目前广泛使用的核裂变发电完全不同,后者是通过分裂重原子核来获取能量。

为什么说核聚变是终极能源?因为它有几个令人着迷的优势:

燃料取之不尽: 核聚变的主要燃料是氢的同位素氘和氚。氘在海水中含量极其丰富,几乎是取之不尽用之不竭的。虽然氚的获取相对复杂一些,但可以通过裂变反应中的锂来生产,锂在地球上也很常见。
安全性高: 核聚变反应不像核裂变那样容易失控。一旦失去高温高压的条件,反应就会自然停止,不会发生像切尔诺贝利那样的堆芯熔毁事故。而且,核聚变产生的放射性废料的半衰期很短,处理起来也相对容易。
清洁环保: 核聚变不像化石燃料那样燃烧产生温室气体,也不会产生高放射性、长寿命的核废料。其主要的副产品是氦,一种惰性气体,对环境无害。
能量密度巨大: 极少量的聚变燃料就能释放出巨大的能量,远超化学反应(如燃烧)和核裂变反应。

那么,核聚变发电是如何实现的呢?这才是最棘手的问题。

要让原子核发生聚变,需要克服它们之间巨大的斥力。原子核都带有正电荷,同性相斥是自然的规律。就像你试图把两个磁铁的同极推到一起一样,它们会使劲往外推。为了让它们克服斥力,必须在极高的温度和压力下进行。

想象一下,我们需要把原子核加热到数亿摄氏度!这个温度比太阳中心的温度还要高好几倍。在这样的极端条件下,物质会变成一种叫做等离子体的状态。等离子体是物质的第四种状态,原子核和电子已经分离,它们以极高的速度自由运动。

光有高温还不够,还需要足够的密度,让这些高温的粒子有足够的机会“撞”到一起。同时,还需要足够的约束时间,让反应持续进行。这三个要素,温度(T)、密度(n)和约束时间(τ),是衡量聚变反应能否成功的关键,科学家们常常用“三要素”或“聚变点火条件”来形容。

目前,实现核聚变发电的主流概念模型主要有两种:

1. 磁约束聚变 (Magnetic Confinement Fusion, MCF)

这是目前研究得最广泛、也最接近商业化的一种方式。它的核心思想是利用强大的磁场来“约束”住高温的等离子体,不让它接触到容器壁,从而避免容器被熔毁,并维持反应所需的温度和密度。

概念模型详解:

想象一个甜甜圈形状的巨大环形真空室,这被称为托卡马克 (Tokamak),它是目前最主流的磁约束装置。

真空室: 整个装置建立在一个高度真空的环境中,以防止杂质气体影响聚变反应。
超导磁体: 环绕在真空室外的是一套强大的超导磁体。这些磁体能产生极强的磁场,其强度是地球磁场的数万倍甚至数十万倍。
等离子体形成与加热:
首先,在真空室里注入少量的聚变燃料(通常是氘和氚的混合气体)。
然后,通过一系列方法将气体加热到数亿摄氏度,使其变成等离子体。这通常包括:
欧姆加热: 就像电流通过电阻会发热一样,让电流通过等离子体,产生焦耳加热效应。
中性束注入: 将高能的中性粒子束注入等离子体,当这些粒子被电离后,它们会将动能传递给等离子体,使其升温。
射频加热: 使用微波或射频波来加热等离子体,就像微波炉加热食物一样,但频率和功率要高得多。
磁场约束:
环向场磁体: 一组环绕真空室的磁体产生一个强大的环向磁场,这个磁场大致沿着环形室的方向。
极向场磁体: 另一组磁体产生一个极向磁场,这个磁场大致垂直于环向磁场。
约束等离子体: 这两种磁场结合起来,形成一个螺旋形的磁场线,就像一个看不见的笼子,将带电的等离子体粒子沿着磁力线约束在环形室的中心区域,使其不会接触到容器的内壁。
聚变反应: 当等离子体达到足够高的温度、密度和约束时间时,氘和氚原子核就会在其中发生聚变,生成氦原子核和高能中子。
能量提取:
聚变反应释放出的氦原子核是带电的,它们会被约束在磁场中,持续加热等离子体,帮助维持反应(这是“自持放热”的关键)。
更重要的是,聚变反应会释放出大量高能的中子。这些中子不带电,不受磁场约束,它们会穿过磁场的空隙,撞击到装置内壁的包层(Blanket)。
包层通常由锂组成。当高能中子撞击锂原子时,会发生核反应,释放出热量。同时,这个反应还能生产出氚,以补充消耗的燃料,实现“自持”生产氚。
包层中流动的冷却剂(如水、氦气或液态金属)会吸收这些热量,然后通过热交换器将热量传递给水,产生高温高压的蒸汽。
蒸汽驱动涡轮机旋转,涡轮机连接发电机,最终产生电能。

目前最著名的磁约束聚变实验装置包括:

ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor): 位于法国,是目前全球规模最大、技术最复杂的国际合作聚变项目,旨在验证大规模聚变发电的可行性。
EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak): 中国科学技术大学建造的装置,在长时间运行和高参数等离子体方面取得了重要进展。
JET (Joint European Torus): 曾经是世界上最大的托卡马克装置,在聚变功率输出方面取得了突破。

2. 惯性约束聚变 (Inertial Confinement Fusion, ICF)

这种方式则采取了另一种策略:不在乎如何“长久”约束,而是追求在极短的时间内(纳秒级别)将燃料压缩到极高的密度和温度,让聚变反应在燃料自身惯性的作用下瞬间完成。

概念模型详解:

想象一下,我们需要将一个极小的燃料球(通常是含有氘和氚的冰球)瞬间压缩到比铅密度高出数百倍的密度,并同时将其中心加热到数亿摄氏度。

燃料靶丸: 通常是一个直径几毫米的微小空心球壳,内部填充氘氚气体。
激光或粒子束: 最常见的方式是使用强大的激光。多束高能激光同时从四面八方照射到燃料靶丸的表面。
烧蚀与内爆:
当激光击中靶丸外壳时,外壳的物质会瞬间汽化并被剥离,这就像火箭发射时的喷射物一样。
根据牛顿第三定律(作用力与反作用力),外壳物质向外喷射产生了一个巨大的向内的反冲力,将内部剩余的燃料以极高的速度向内压缩。
这个过程被称为烧蚀(Ablation)和内爆(Implosion)。
在内爆的末端,燃料的中心区域会被压缩到极高的密度(大约是固体密度的1000倍以上),同时由于压缩产生的绝热效应,中心温度也会急剧升高到数亿摄氏度。
聚变发生: 在这个极短暂的时间窗口内,中心区域的氘氚原子核克服了斥力,发生聚变反应,释放出能量。
能量提取:
聚变反应产生的高能粒子(如α粒子)和中子会轰击剩余的燃料层,提供额外的加热,并维持更长时间的聚变燃烧。
聚变产生的能量以高能粒子和中子的形式释放。这些粒子和中子会撞击到反应室的内壁,将其加热。
反应室的内壁被设计成能够吸收这些能量并将其传递给冷却剂,冷却剂再通过热交换器产生蒸汽驱动涡轮发电机发电。
每一次激光脉冲照射靶丸,都相当于一次“迷你核爆”式的聚变反应。要实现持续发电,需要以每秒几十次的频率重复进行。

目前著名的惯性约束聚变实验设施包括:

美国国家点火装置 (National Ignition Facility, NIF): 位于美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室,是目前世界上最强大的激光聚变装置,已经实现了“能量净输出”,即产生的聚变能量大于用于加热靶丸的激光能量。
德国的Laser Mégajoule (LMJ): 法国正在建设的类似NIF的装置。
中国的神光系列装置: 在惯性约束聚变研究方面也取得了重要的进展。

总结一下:

无论哪种模型,核聚变发电都需要克服极高的温度、密度和能量约束的挑战。它就像是在地球上模拟太阳内部的反应,但技术难度比登天还难。目前,科学家们正在努力解决等离子体的稳定性和长时间约束问题、高效加热技术、材料耐受性以及氚的循环利用等一系列关键技术瓶颈。

虽然核聚变发电的道路依然漫长而艰难,但一旦实现,它将为人类带来几乎无限的清洁能源,彻底改变能源格局,开启一个全新的时代。这是一个值得我们持续投入和探索的伟大事业。

网友意见

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可控核聚变发电和不可控核聚变发电都有实际可用的设计,概念模型更是有得是了。


磁约束可控核聚变产生的聚变等离子体的温度很高,但你可以控制其密度,通过磁场将较低密度的等离子体约束起来之后,其散发的热辐射和非热辐射(氘氚聚变产生的能量约有80%被中子从等离子体中带出来,中子击中容器壁后动能转化为热能)传递给容器壁和一次冷却物质的温度并不惊人。用现有金属材料建造容器壁,在容器壁内循环冷却水或其它一次冷却物质即可。但是,应对中子辐射导致的内壁劣化的方案目前还在研究。

将聚变等离子体放出的热比较高效地导入热机在目前技术下并不困难。一、二次冷却材料都用加压水的场合热效率41%,熔盐做一次冷却材料、超临界二氧化碳做二次冷却材料的场合热效率42%,这样。“烧开水”的超超临界热机的技术性能并不比听起来更高级的机组落后多少。

总之,容器壁接收的热量用来产生蒸汽,通过成熟的涡轮机与交流发电机对外发电。

示意图如下:

理想的托卡马克装置对温度、真空度、超导、内壁辐射吸收的要求经常超过现代材料科学的能力范围,这方面还需要研究。但一般考虑,让它发出电来并不需要全面满足条件。

国际热核聚变实验反应堆(ITER)的结构示意图如下:

当然,你要追求长时间安全运转的话,就连支撑超导磁体的材料都是个问题:在工作状态下的受力条件、启动和关机的瞬间的应力变化、出现异常时的受力、辐射造成的材料劣化都可能导致意外。


不可控核聚变发电,也就是核爆锅炉,可以在足够大的封闭空间内将热传递给熔融金属或熔融盐,这些物质再将热传给超临界水或超临界二氧化碳。

苏联的核爆锅炉示意图:

能搭配核爆锅炉的现代超超临界发电机组的发电效率可以达到44%到47%。

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