可控核聚變

托卡马克，现有的可控核聚变反应堆方案之一

可控核聚變，即核聚变能源，指在人工控制之下利用核融合产生能量。核聚变反应是一种结合两个较轻核子产生较重核子的能量反应。合并时，部分质量丧失转换为能量（質能等價）。[1]融合能研究主要关注于驾驭这个反应并作为大规模可持续能源的来源。

几乎所有针对大规模商业应用（commercial proposals）提出的方案，热量都由受控核聚变产生的中子散射（英语：neutron scattering）提供，与现今核电厂、火力发电厂提供给蒸汽涡轮发动机发电原理相同。

核聚变过程需要燃料以及足够的温度、压力和维持时间，才能形成可以进行核聚变的等离子体。这些条件结合起来可以构成一个产生能量的系统，即所谓的劳森标准（Lawson criterion）。劳森标准即核聚变能量实现的一个标准，说明了为了使核聚变反应能够持续进行并产生能量，需要达到一定的温度、密度和持续时间的组合。在恒星中，氢是最常见的燃料，重力提供了非常长的约束时间，满足了产生聚变能的需求。目前设计中的核聚变反应堆通常使用重氢同位素，如氘和氚（尤其是这两者的混合物），它们相较于普通的氢同位素更易发生反应，因此能在较温和的条件下满足劳森标准。大多数设计目标是将燃料加热至大约1亿开尔文，也因此对可靠的设计提出了巨大挑战。氚在地球上极为稀有，且半衰期仅为约12.3年。因此，在设想中的聚变反应堆（即增殖反应堆）运行过程中，会利用中子通量作用于氦冷却卵石床（HCPB），以产生氚，完成燃料循环[2]。

作为动力源，核聚变相比核裂变有诸多潜在优势，包括较少的运行过程中的放射性、几乎不产生高放射性核废料、充足的燃料供应（如氚孕育或某种非中子燃料形式），以及更高的安全性。然而，同时达到必须的温度、压力和维持时间的条件已被证实存在实践和经济上的挑战。第二个问题是管理反应过程中释放的中子：长时间的中子照射会导致反应器内部的许多材料削弱退化。

研究人员已经探索了各种聚变约束方案。早期重点研究了三种主要系统：z-夹（z-pinch）、仿星器和磁镜。目前主要的设计包括托卡马克和激光惯性约束（ICF）。这两种设计均在进行大规模研究，其中最著名的有法国的热核实验反应堆托卡马克和美国的国家点火装置（NIF）激光器。研究人员还在探索其他可能的低成本设计方案。他们也对磁化目标聚合和惯性静电约束以及恒星器的新变体越来越感兴趣。

2022年12月5日，美國勞倫斯利佛摩國家實驗室（LLNL）首次實現能量淨收益的可控核聚變。該實驗通過192道雷射聚焦目標提供 2.05 兆焦耳的能量，從而超過聚變閾值，產生 3.15 兆焦耳的聚變能量輸出。[3]

背景

机制

当两个或多个原子核靠得足够近且持续足够长的时间，核力超过静电力，便会引发聚变反应，生成更重的原子核。对于重于铁-56的原子核，该反应是吸热的，需要外部能量输入[4]；而对于铁-56以下的原子核，该反应是放热的，聚变过程中释放能量。氢原子核只含一个质子，因此在所有燃料中，它聚变所需的能量最低，同时也能产生最多的净能量。此外，氢因只有一个电子，故最易被完全电离。

原子核间的斥力（静电作用）作用范围大于强作用力，后者的有效范围约为一飞秒（约等于一个质子或中子的直径）。为了启动核聚变，燃料原子必须获得足够的动能来相互靠近，使得强作用力能够克服静电排斥。这也是指库仑势垒，指燃料原子靠近所需的动能数量。为了达到这种能量，可以通过加热原子到极高温度或在粒子加速器中加速原子。

当原子被加热到超过其电离能时，它会释放电子，释放的结果就是裸核，我们称之为离子。这个过程形成的等离子体是一个由离子和曾与它们结合的自由电子组成的热云。因为电荷被分离，等离子体具有电导性和可以被磁场控制的特性。这种特性被一些核聚变装置用来约束高温粒子。

等离子体行为

等离子体是一种能导电的电离气体[5]。大多数情况下，等离子体是用磁流体力学建模的，磁流体力学是控制流体的纳维-斯托克斯方程与控制磁场和电场行为的麦克斯韦方程的结合[6]。核聚变利用了等离子体的若干特性，包括：

  1. 自组织等离子体能传导电场和磁场。等离子体的运动会产生磁场，而磁场又能反过来容纳等离子体[7]。
  2. 抗磁离子体能产生自己的内部磁场。这可以排斥外部施加的磁场，使其抗磁[8]。
  3. 当等离子体从低密度磁场移动到高密度磁场时，磁镜可以反射等离子体[9]。

参阅

参考资料

  1. ^ "ICF Physics" 2004, Atzeni, Chapter 1, page 1
  2. ^ Gan, Yixiang; Hernandez, Francisco; Hanaor, Dorian; Annabattula, Ratna; Kamlah, Marc; Pereslavtsev, Pavel. Thermal Discrete Element Analysis of EU Solid Breeder Blanket Subjected to Neutron Irradiation. Fusion Science and Technology. 2014-08, 66 (1). ISSN 1536-1055. doi:10.13182/FST13-727 （英语）. 
  3. ^ DOE National Laboratory Makes History by Achieving Fusion Ignition. Energy.gov. [2022-12-13]. （原始内容存档于2022-12-14） （英语）. 
  4. ^ Nuclear Binding Energy. hyperphysics.phy-astr.gsu.edu. [2024-04-22]. （原始内容存档于2019-09-27）. 
  5. ^ Fitzpatrick, Richard. Plasma physics: an introduction. Plasma physics: an introduction. Boca Raton: CRC Press, Taylor & Francis Group. 2015. ISBN 978-1-4665-9426-5. 
  6. ^ ALFVÉN, H. Existence of Electromagnetic-Hydrodynamic Waves. Nature. 1942-10-01, 150 (3805): 405–406. ISSN 0028-0836. doi:10.1038/150405d0. 
  7. ^ Tuszewski, M. Field reversed configurations. 1988-11-01 [2024-04-22]. doi:10.1088/0029-5515/28/11/008. （原始内容存档于2024-04-22）. 
  8. ^ Sijoy, C.D.; Chaturvedi, Shashank. An Eulerian MHD model for the analysis of magnetic flux compression by expanding diamagnetic fusion plasma sphere. Fusion Engineering and Design. 2012-02, 87 (2). ISSN 0920-3796. doi:10.1016/j.fusengdes.2011.10.012. 
  9. ^ L.R. Proceedings of the second United Nations international conference on the peaceful uses of atomic energy, held in Geneva 1 September–13 September 1958.. Nuclear Physics. 1959-12, 14 (1). ISSN 0029-5582. doi:10.1016/0029-5582(59)90092-6. 

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