學生科普一下可控聚變未來階段真正的難關

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發表 由 lung 于 周一 3月 30, 2015 8:07 pm

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發表 由 lung 于 周一 3月 30, 2015 8:08 pm

樓主在本吧看到過一個科普磁約束受控核聚變的帖子,那個帖子主要為大家介紹了磁約束的概念和裝置;為大家普及了我國和國際上研究核聚變的歷史和現狀。

但是那個帖子涉及到的主要是對過去經驗教訓的總結,了解到了我們已經取得的成就。但是受控核聚變未來將會遇到哪些坎坷,這些並沒有提及。

樓主去年在中國科學院大學時聽到等離子所的專家給我們的一個報告,深受震撼。本人在講座後提問了兩個問題,解開了我一部分疑惑。我在這裏為大家描述一下,一線研究人員親口告訴我們的真相。那就是,磁約束受控核聚變現階段實用化最大的難題之一。
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發表 由 lung 于 周一 3月 30, 2015 8:09 pm

在講述受控核聚變實用化的障礙之前,我需要做個鋪墊。講一下核聚變釋放能量的基本知識。

我們都知道原子核是由帶正電的質子和中性的中子構成。除氫元素的其中一個同位素氕只有一個質子外,一般原子核均由質子和中子組成。

不知道有沒有人困惑過,為啥就就沒有穩定的原子核只由質子組成?按理說核力比電磁力(庫侖力)大不少呀?! 其實這裏有個概念錯誤。核力不是強相互作用力。強相互作用力強度遠大於電磁力,這是對的。但是真正的強相互作用力是誇克通過膠子傳播的短程力,而這種相互作用的絕大部分被約束在質子和中子內部,只有由於質子和中子靠的比較近時,少量強相互作用力的“泄漏”帶來了所謂的核力。這有點像平時我們碰到不帶電的物體不會受到電磁力明顯的作用,但是兩塊打磨得很光滑的表面擠在一起時,分子間的相互作用力可以讓他們“粘在”一起。這就是整體中性的分子在靠近時由於其內部結構本質是帶電的,而導致的局部帶電。這就是分子間相互作用裏(範德瓦爾斯力)的來源,它本質上是組成分子的原子內部電磁力的某種泄漏。這根核力是質子中子內強力的泄漏是一樣的。
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發表 由 lung 于 周一 3月 30, 2015 8:13 pm

樓上提到這些究竟是什麼目的呢?這裏告訴大家。就是說,核力只是強力的泄漏,並不會比庫侖力大太多,所以光有幾個質子是沒法構成穩定原子核的,甚至短暫的不穩定原子核都沒戲。比如只由三個質子構成的鋰3,就被認為是不存在的,除非核力比我們估計的要再強上7% ,但這也只能形成極不穩定的原子核。

所以!!! 聚變反應要想發生,必須有中子,兩個質子是無法穩定粘在一起的。很多人會疑惑,太陽上絕大部分可是氫啊,沒有中子欸0.0 鐵人王進喜告訴我們,沒有中子,創造中子也要聚變。


原則上講,小於鐵58的原子核聚變都是釋放能量的。很顯然恒星聚變的中子是他們自己制造的。在這裏,我們看主序星的太陽,他的聚變循環質子-質子鏈:


兩個質子高速對撞,兩個質子通過相互交換光子和介子產生了一個反電子,一個質子變中子。反電子會與電子湮滅釋放能量,這個剛產生的中子會和一個質子粘在一起,成為氘。正反電子湮滅的能量會驅動反應繼續。氘和質子又聚變成氦3,氦3再聚變成成氦4並又放出兩個質子。

這裏我們看出四個質子最後變成兩個質子兩個中子的氦4(電荷守恒,因為還產生兩個反電子),太陽的聚變過程中所需的中子是自己造的。
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發表 由 lung 于 周一 3月 30, 2015 8:13 pm

那麼這和我們的受控核聚變有什麼關系呢? 這裏關系重大!!! 上面圖中的流程受到了簡化。兩個質子相撞後DUANG~的一下其中一個變中子了。但這一對質子和中子並不一定撞完就直接順便粘在一起了,他們可能是後來才粘在一起的。甚至粘在一起的一個質子和中子不一定是哪次撞出來的。中學我們都學過化學反應:氫氣+氯氣點燃,產生氯化氫。誰知道這個過程究竟發生了什麼? 中學的化學式其實是對極其復雜過程的簡化。氯氣先分裂,自由基氯原子將氫氣中一個氫原子拉出來,自由基氫原子再去拉氯氣分子中成對的氯原子。一個復雜的自由基循環過程。

************************************分割線************************************

這時候聰明的同學已經註意到問題所在了~~ 我就直接說啦:

磁約束是,管·不·住·中·子·的!!!

太陽依靠自身的巨大引力使得聚變核心區質量域密度達到了正常金屬鉛的7倍! 連光子都像蝸牛一樣在太陽核心區緩慢擴散。所以質子-質子對撞產生的中子不會馬上逃逸,他在巨大的物質密度中會很自然的撞到某個質子,從而變成氘。

然而人類就悲催了,我們不可能制造出巨大的引力,否則星際迷航裏的曲速飛行都要實現了。然後磁約束聚變的等離子體十分稀薄,磁場也不可能約束得住密度比金屬鉛還大7倍的流體。如果企圖在托卡馬克中進行太陽的“四質子循環”,那麼剛產生的中子瞬間就脫離磁場控制撞向反應器內壁。上文的鋪墊終於用上了! 沒有中子做中性“粘合劑” 質子無法聚合成原子核。
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發表 由 lung 于 周一 3月 30, 2015 8:18 pm

人類該怎麼辦? 那就跳過第一部,直接用含有中子和重氫聚變就可以了。當然直接用上面那個循環圖最後一步,氦3最方便。可是,氦3地球基本沒有,大量開采月球的氦3除非我們掌握了可控核聚變否則成本無法控制。這是個死循環,都掌握了聚變了就沒這麼多事了。

現在理論可行的除氦3之外,就是用氘+氚聚變了。

可惜,氚是半衰期只有12.43年(註意小數點)的同位素,所以地球上也幾乎沒有。欸?不對呀! 氫彈哪來的氚? 最早實驗用的一點氚可以用中子照射重水,或者中子撞擊鋰6得到。現在氫彈用氘化鋰6,借助核裂變釋放的中子可以把鋰6打成兩半兒,正好兩個氚,所以氫彈聚變材料是固體的,地殼裏還都挺多的。
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發表 由 lung 于 周一 3月 30, 2015 8:18 pm

說到這裏基本接近尾聲了。那位給我們作報告的專家說眼下最大的障礙是氚的增殖。

托卡馬克需要的氚全部需要人造,並且是現用現造,因為氚壽命不長。而人造需要一定能量的中子,中子不會憑空而來。要麼反應堆產生,要麼加速器制造,這兩者都產量有限,且耗能嚴重,屬於脫了褲子放pi

為了聚變實用化,制造氚所需的中子必須由聚變堆本身提供,並且制造出的氚可以維持聚變堆不斷的運轉。至於氘,這是穩定同位素,海裏有的是。所以磁約束裝置的“中子流失”以及“中子倍增”和“氚增殖”才是將來實用化最大的門檻!!!
在報告中,專家給我們展示了幾張增殖裝置的照片。這些裝置處於極其初步的驗證原型機階段。

托卡馬克中在聚變發生時,就會有能量很高的中子脫離束縛飛出去。這些中子能量極高,直接用來制造氚很浪費。所以科學家設計了中子倍增器。其原型機是堆滿了金屬鈹(Be)小球的靶系統,用的是質量數為9的鈹9(Be9),氫氦鋰鈹硼的那個鈹,地球上也不是很缺。

高能中子打中金屬鈹之後把鈹原子核打碎,飛出更多低能量中子。這些中子再打擊鋰6或者重水,制造出氚。然後把氚回收後再註入反應堆。這套裝置說起來簡單,但是不了解核物理的不知道。高能量的中子可是會把原子核打壞的存在。被中子擊中的原子核會被激發,然後在退激發時放出的能量會導致化學鍵的斷裂,最後被大劑量照射的金屬就脆了,甚至碎成喳喳ovo

專家給我們展示了一張圖。裏面本來都是小球球的金屬鈹都碎掉了,看到小球碎成渣有種蛋碎的感覺,就像節操一樣碎成渣。

中子必須回收倍增用於制造氚,然後中子照射對材料的破壞太口怕了。現在實驗用的裝置要是真的運行一個月,那反應堆內壁的襯板都得掉渣。這也是幾·乎·無·解的問題。任何材料都是化學鍵結合成的,別說金屬單質沒化學鍵,那叫金屬鍵!!!
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發表 由 lung 于 周一 3月 30, 2015 8:19 pm

其實我當時很悲觀。就像你不可能找到任何材料可以耐受上億度高溫不損壞。同樣,高能量的中子照射任何固體材料都會造成嚴重破壞。基本上撐不過一個月。就算材料性能逆天,能撐住一年也是不夠的。火力電廠的鍋爐,汽輪機和電機的無故障運行時間長的口怕。

最近清華的那個流體機械材料讓我有了點希望。只有指望可以流動,能夠自我修復,自我替換的自修復材料的進步了。

通過對那位來自等離子所的專家的報告總結。我得出以下結論。未來磁約束聚變的重點公關要求是:

1. 研究耐輻射損傷的特殊材料,最理想的是自修復或者可以通過加熱呀,通電呀,加磁場等方式修復的材料,否則無法穩定運轉。再者可以考慮流動性的材料,雖然有損傷但是流動的可以直接換掉。

2. 中子倍增和氚增殖回收的效率。目前的中子倍增和氚增殖回收效率不夠高,無法維持初始點火用氚的消耗。這本質上還是中子物理的問題。所以對中子這種不受電磁控制的東西很是頭疼。

我問了那位專家一個問題,就是目前磁約束本身還有沒有大的障礙了。他明確說約束本身的問題在過去的三十年裏基本解決了。未來的問題都壓在材料這一塊兒了!!!可以耐受中子照射的材料,可以高效倍增中子的材料可以高效回收並儲存氚的材料。這個問題何時能解決,恐怕沒人敢說,因為材料研究過於基礎。

科普部分基本結束了,後面說些周邊的話題,否則不接兔吧地氣ovo
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發表 由 lung 于 周一 3月 30, 2015 8:19 pm

關於中子倍增和氚增殖需要的鈹和鋰,最多的地方應該是xin-jiang,xi-zang。絕對保證對西部的控制和發展!!!

以下百科:

中國是世界上鈮、鉭、鋰、鈹等稀有金屬礦產資源最豐富的國家。中國的鋰、鈹、鈮、鉭礦的儲量在世界上都居第一二位。據美國礦業局(1981~1994年)估計,世界鋰、鈹、鈮、鉭礦產儲量基礎為:鋰(金屬量)840萬噸,鈹(金屬量)72.6萬噸,鈮(金屬量)420萬噸,鉭(金屬量)3.5萬噸。中國這4種礦產,據地質礦產部舉辦的《新中國成立四十周年地礦工作成就展覽》統計資料(地質出版社,1992年出版):我國鉭礦、鋰礦占世界第1位,鈮礦、鈹礦均占第2位。

主意,美國不愧是被上天眷顧的土地,在這些礦藏上和中國基本一樣,甚至鋰礦最豐富的南美很容易被美國掌握。中國的這些礦藏主要在西部,包括四川。中國每年用鋰有缺口,在進口,但國外炒作中國擁有世界第一大鋰礦在xi-zang。如果有一天聚變要邁向實用化,你們趕緊去買鋰,鈹有關企業的股票去吧!!!!!!!!!!!鋰將成為戰略儲備物資,比海水裏的氘珍貴多了!
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發表 由 lung 于 周一 3月 30, 2015 8:21 pm







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發表 由 lung 于 周一 3月 30, 2015 8:23 pm

全球主要鋰礦山及控制權情況:


主要鹽湖資源控制權情況:


我國新疆可可托海稀有金屬礦,享譽全球的“三號脈”是我國乃至世界稀有金屬礦的寶地,蘊藏著豐富的鋰、鈹稀有金屬礦物,其中被的資源猶為可觀,約占全國儲量的70%以上。
九十年代時中國鈹探明只有第一名巴西的三分之一,最近xin-jiang找到個大的,直接變成全球第二了。

中國雖然沒有很壕,但至少不會被鋰,鈹卡到脖子,算是萬幸吧。

帖子完~
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