另辟蹊径的核科学先驱:没有大制作一样核聚变
时间:2017-12-08

  另一种开创核科学的方式:没有大的融合生产融合 - 新闻 - 科学网

  在北美,欧洲和其他地方,由私人基金或私人资助的政府资金支持的科学家和工程师小组正在探索新的核聚变方式。

  Universal Fusion反应堆使用巨型活塞挤压核聚变燃料。信贷:Hubert Kang

  融合能源研究正在上演一场奇异事件,创业,异议和开创性的一次重大的爆炸。在一个缓慢,昂贵和笨手笨脚的设计中,可以归类为科学中最糟糕的设计,有人说终于够了,并开始寻找另一种出路。

  在北美,欧洲和其他地方,由私人基金或私人资助的政府资金支持的科学家和工程师小组正在探索新的核聚变方式。他们不仅在研究:他们计划建造经济上可行的反应堆,这比由公共财政资助的反应堆更简单,更便宜,他们希望更快地完成工作。

  追求净收益

  为什么会发生?为什么现在呢? 60多年来,研究人员一直在试图复制太阳能热聚合原子,释放锁定在原子核中的能量,反应堆已经从桌面上的小工具发展成为数十亿美元的怪物。国际热核实验堆(ITER)是一个致力于首次净能源收益的跨国设施,完工后将耗资200亿美元,重达法国艾菲尔铁塔重量的三百三十万吨。使用不同融合技术的美国国家点火设施(NIF)也拥有高达35亿美元的建筑资金。

  ITER和NIF都希望实现高于消耗的反应堆容量。这是一个很大的问题,因为聚变反应堆需要耗费大量的能源:燃料需要加热并保持在1.5亿摄氏度左右。从理论上说,一旦反应堆开启,它将自行加热,但没有人能做到这一点。几年前,NIF计划实现这种核聚变点火,但到目前为止还远没有达到目标。另一方面,直到2027年ITER才会开始点火测试。

  同时,这些设施建设的巨大成本使得独立的核聚变项目望而却步。一些研究人员认为有这样的结果是不可避免的,因为在技术层面ITER和NIF已经把核聚变推到了极限。 ITER计划尽可能长时间控制磁场中的燃烧等离子体。 NIF的策略是使用激光轰击聚变燃料,并将其挤压到最大密度,实现这些极限需要先进的技术,高成本和巨大的规模。

  相比之下,融合技术中的黑马主要集中在极端条件的中间。虽然不像低温核聚变那样臭名昭着,但技术科学合理,时间有限,资金有限,阻碍了其发展。

  但是融合是一个非常复杂的问题,涉及高能粒子以及高温高压。为了取得成功,人们需要准确的判断,新的材料和复杂的计算机模拟。但是谁来为建造一座核聚变反应堆而疯狂呢?

  蒸汽朋克解决方案

  Michel Laberge很累。他在2001年已近40岁,在过去的十年里为加拿大的克里奥公司(现为柯达公司)设计了一台激光打印机,并一直在努力使机器更快,更便宜。在他职业生涯刚开始的时候,他研究了使用激光激发加拿大不列颠哥伦比亚大学,巴黎高等理工学院和加拿大国家研究委员会的核聚变反应的可能性。

  拉贝格知道一个成功的核聚变反应堆可以给这个星球带来什么。结果,他把自己的股份卖给了克里奥,辞去了工作,开始建造一座反应堆。

  在浏览文献的同时,Laberge在1970年代海军研究实验室的一个名为LINUS的项目中无意中发现了Fusion的早期尝试。 LINUS项目旨在制造核聚变燃料的等离子磁化球并在液态金属外壳中点燃。一旦金属外壳和等离子体就位后,气动活塞就会碰撞到金属外壳中,压缩和凝聚等离子体,从而增加其温度和密度。 1980年,LINUS项目关闭。但Laberge认为这是一个伟大的计划。他提到该项目的失败是由于二十世纪七十年代的技术无能为力。

  Laberge说服了一些前克里奥同事投资,并利用加拿大政府的小额补贴,创造了一个使用电脉冲来模拟活塞作用的台式设备,这足以产生一些中子,这是一个信号,表明核聚变反应正在进行2002年Laberge及其同事成立了Universal Fusion,目前拥有60多名员工。

  自2009年以来,他们已经收到了6200万加元。用这些钱,他们建造了一个巨型机器海胆,看起来像是从蒸汽朋克直接出来的东西。直径约1米的球形钢制反应室是一种14个大小的空气动力活塞,可向四面八方突出。它有点奇怪。

  首先,研究人员搅动反应室周围的熔融铅,形成一个涡旋,其间有空隙;在空隙中,他们点燃了聚变燃料的紧凑环形。然后,活塞以每秒50米的速度撞击,猛烈撞击反应室壁上的塞子,将冲击波通过熔融铅。冲击波挤压燃料到极高的温度和压力,并爆炸!理论上发生了小型核聚变爆炸。

  目前的设备不能进行核聚变;它只是实现一个压缩系统。我们正在试验密封件,泵和冲击波来理解这种技术。 Laberge说。另外,研究人员还在研究注射器等离子枪,用来制造燃料球,并将其注入压缩机。

  在所有这些努力中,他们遇到了许多问题:活塞破裂,冲击波引起液滴,等离子体冷却太快或密度太低。但他们没有退缩。我们正在接近投资者。 General Fusion战略和企业发展副总裁Michael Delage说。

  科普作家歌曲

  Eric Lerner是一个不太可能的核聚变科学家。他终止了研究生物理课程,并成为一名成功的科学作家。 1991年,他发表了有争议的书“宇宙大爆炸从来没有发生过”,他描述了一个不受重力和量子力学影响的宇宙,而是受等离子体物理学的控制。

  事实上,勒纳当时已经开始对核聚变装置进行独立研究,并注意到20世纪50年代俄国发明了所谓的密集等离子体焦点(DPF)。 DPF产生一个紧凑的聚变燃料环形线圈,然后电磁压缩到非常小的尺寸。

  经过10年的研究,勒纳获得美国宇航局喷气推进实验室的资助,以评估DPF是否可以用作航天飞机推进装置。七年后,NASA花了三十万美元取消了这个项目,于是Lerner开始寻找私人资金。

  又过了七年,他筹集了120万美元,足以支持他在新泽西州劳伦斯维尔等离子体物理(LPP)的建设。但繁荣的生活仍在继续:勒纳在过去的五年里从60位不同的投资者那里筹集了200万美元。与其他(私人核聚变)项目相比,我们技术上是最先进的,但资金最少。他说。

  相比之下,通用汽车的充气怪兽勒纳的装置看起来像一个玩具。后者的中心是两个圆柱形电极,一个在另一个内部。外电极直径只有18厘米,整个装置被密封在充满分散气体的管中。一个巨大的电脉冲从外部电极冲到内部电极,产生一个等离子环形外壳。电流产生的磁场然后挤压等离子环成一个微小的,密集的等离子球。

  塌缩的磁场感应电场,驱动电子束穿过等离子体,并将其加热到数亿的热度。如果一切按计划进行,等离子球将具有足够的热量和密度来产生核聚变反应。

  勒纳说,该装置可以达到所需的温度,但很难得到颗粒获得必要的密度。问题是电极会蒸发铜原子并污染等离子体。不久前,LPP获得了一套新的钨电极,通过众筹活动筹集了20万美元。我确信新电极将从根本上减少杂质,提高100倍的密度。勒纳说。 (张章)

  中国科学通报(2014-07-30第3版国际)

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  科学报告(英文)