“核能领域”最热门理念:稠密等离子焦点,一种廉价的核聚变方式

GT聊科技2020.7.17
最近,一家公司正在追求使用高密度等离子聚焦技术的商业电力生产其所需的承诺

这是该系列文章的第一部分。

由于,现已知核聚变反应所需要的物理条件通常比较极端,这是实现核聚变作为一种实用能源所面临的首要挑战。其中包括1亿摄氏度以上的温度和天文数字般高的压力,必须保持足够长的时间才能达到净能量输出。

如今,为实现这一目标所做的努力主要是利用超高功率激光和微波发生器、粒子束、巨型超导磁体系统和其他先进技术的大型昂贵实验设施。人们可能会得出这样的结论:如果核聚变成为现实,它将是一种复杂的、高度资本密集型的能源生产方式。

但是,是否存在有一种简单得多的方法,一种不需要如此复杂的技术手段来达到所需的极端温度和压力的方法呢?一种能让大自然为我们做大部分工作的方法?

DPF产生的放电在时间和空间中迅速演化,将其能量集中到一系列的丝状结构中,最后形成一种称为等离子体的微小结状实体(见下文)。在等离子体内部,已经达到了发生核聚变的条件。 本系列的第二部分将详细介绍它的工作原理。

稠密等离子焦点(DPF)的历史

自20世纪60年代以来,DPF就以各种形式存在,并被全世界各地的几十所大学和政府实验室利用,用于等离子体物理领域的实验研究。它还被用作X射线和中子的来源。

除了这些应用之外,在DPF放电中观察到的现象还为自然界中的各种自组织过程提供了一个模型,从实验室规模一直到星系和星系团的规模。

等离子体聚焦的聚变能量

早已通过实验证明,当DPF在充满氘气的室内运行时,可以产生大量的聚变反应。 但是,奇怪的是,直到最近,利用DPF进行商业化发电的可能性从未得到必要的承诺——最重要的是,还没有得到成功所需的财政支持。

而规模较小、更具创新能力、但名气较小的项目则一直缺乏资金。这种情况对于局外人来说是自相矛盾的,但对于那些观察了近几十年来资助机构行为的人来说,却是一种非常熟悉而又可悲的事实。

好消息是,美国的一个实验室——新泽西州私营的劳伦斯维尔等离子体物理公司(Lawrenceville Plasma Physics,Inc,业务名称为LPPFusion)——已经认真地接受了将稠密等离子体焦点发展为实用的聚变能源的挑战。研究人员说,如果有足够的资金,他们可以设计一个50万美元、5兆瓦的反应堆,他们预计这种反应堆的发电成本只有每千瓦时0.06美分(约为每1度电为0.004元)。

虽然还有很长一段路要走,但这个项目显然有真正的成功机会。LPPFusion的创始人和负责人,物理学家埃里克·勒纳(Eric Lerner),是等离子体聚焦和等离子体物理学和天体物理学相关领域的世界顶尖专家之一。 LPPFusion在有限的预算和少数专门的合作者的帮助下,一步步提升了DPF技术的性能,距离足以产生净能量发电的条件越来越近。

2016年,勒纳(Lerner)的装置实现了28亿℃的离子温度——这是迄今为止所有核聚变实验中达到的最高温度,达到了一个里程碑。这比太阳中心的温度高200多倍,是ITER预计最高温度的15倍以上。

在其他方面,LPP核聚变已经达到或接近使用设备获得的结果,与LPP核聚变在过去10年所花费的700万美元的设备成本相比,已经达到或接近了数百倍。(读者可以在评论找到正在进行的大型和小型聚变能源项目的详细描述和比较,如有兴趣的话笔者将会把该PPT的系列讲座在后续上传。)

最令人兴奋的是,LPP聚变计划使用氢-硼燃料,而不是标准的氘-氚燃料。这已经达到的世界纪录温度为采取这一步骤提供了重要的先决条件。如果计划成功,那将是一个非常好的消息。

氢-硼核聚变反应是核能的梦想,因为它不产生放射性废料,几乎可以无限制地利用燃料供应,并提供了将核聚变能直接转化为电能的可能性。1克氢-硼混合物产生的能量与燃烧3吨煤所释放的能量非常接近。(参见笔者在后续会发表的文章《核能的希望之光:氢硼聚变》)

LPP核聚变的核聚变实验到目前为止都是用氘做的。计划在今年年底左右进行首次氢-硼燃料实验。勒纳(Lerner)的项目目前正处于高级研究阶段。现在的主要任务是从仅仅产生大量的聚变反应开始——这种能力已经得到了很好的证明,再到实现装置的净能量输出。随后将进入工程阶段。

当然,成功是无法保证的。但回报也将是巨大的。

低成本核聚变的未来

以DPF为基础的氢硼核聚变电站将兼具结构简洁、操作简单、装置体积小、投资成本低、燃料成本低和本质安全的特点。

在商业化发电方面,DPF装置将与一个专利系统相结合,将聚变能量直接转化为电能。以每秒200次放电的速度进行脉冲,该系统将提供5兆瓦的电力输出。

一个完整的DPF动力单元只有几米宽,因此只需增加更多的DPF动力单元,就能轻松、经济地达到任何所需的功率。该技术很适合标准化机组的大规模生产。 合理的估计表明,与现有的传统能源和替代能源技术相比,DPF技术可以将发电成本降低10倍甚至更多。

明天,笔者将接下来介绍第二部分:【原理篇】核电未来焦点:稠密等离子焦点。


撰写:GolevkaTech

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