另辟蹊径的核科学先驱:没有大制作一样核聚变

作者:张章 来源:中国科学报 发布时间:2014-7-30 12:11:40 选择字号:小 中 大 另辟蹊径的核科学先驱:没有大制作一样核聚变

另辟蹊径的核科学先驱:没有大制作一样核聚变—资讯—科学网。在北美洲、欧洲和其他地区,由私人资金或政府私有混合资金支持的科学家和工程师团队正在探索核聚变新方法。

通用聚变公司反应堆利用巨型活塞挤压核聚变燃料。另辟蹊径的核科学先驱:没有大制作一样核聚变—资讯—科学网。图片来源:Hubert Kang

聚变能研究领域正在上演离奇事件,企业家精神、不同意见和开创精神出现了一次大爆发。在一个可以被概括为大科学的最糟糕情况的领域进度缓慢、定价高昂和繁重设计,一些人最后说受够了,并开始另辟出路。

在北美洲、欧洲和其他地区,由私人资金或政府私有混合资金支持的科学家和工程师团队正在探索核聚变新方法。他们不仅在作研究:他们计划建造经济上可行的动力反应堆,这比公共资金资助的研究设想得更简单且更便宜,并且他们希望能更快完成目标。

另辟蹊径的核科学先驱:没有大制作一样核聚变—资讯—科学网。追求净增益

为何会发生这种情况?为何是现在?在60多年里,研究人员一直试图复制太阳的热源融合原子以释放被锁在其原子核中的能量,而反应器已经从桌面上的小配件发展成耗资数十亿美元的庞然大物。致力于首次实现净能量收益的跨国设备国际热核实验反应堆,其完成后将耗资200亿美元、重达2.3万吨是法国埃菲尔铁塔重量的3倍。使用不同聚变技术的美国国家点火装置建造资金也高达35亿美元。

ITER和NIF都力图实现反应堆产能高于消耗能。这是一个大问题,因为聚变反应堆运行需要大量能量:燃料需要被加热并保持在约1.5亿摄氏度。理论上,一旦反应堆开启,它将自我加热,但目前还没有人能实现这一目标。数年前,NIF就计划实现此类着火核聚变燃烧,但迄今为止,它离目标依然遥远。另一方面,ITER在2027年之前不会进行点火实验。

同时,建造这些设施的巨大成本让独立核聚变项目望而却步。一些研究人员认为,得到这样的结果是必然的,因为就技术层面而言,ITER和NIF将核聚变推向了极致。ITER计划将燃烧的等离子尽可能长时间控制在磁场中;NIF的策略则是利用激光轰击核聚变燃料,将其挤压到尽可能大的密度。要达到这些极端条件需要复杂的技术、高昂的成本和巨大的规模。

另辟蹊径的核科学先驱:没有大制作一样核聚变—资讯—科学网。相比之下,核聚变技术中的黑马则关注极端条件中间的环节。虽然与臭名昭著的低温核聚变不同,该技术具有科学合理性,但有限的时间和经费阻碍了其发展。

但是核聚变是一件极为复杂的事情,涉及高能粒子以及高温和高压。要获得成就,人们需要精确判断、新材料和复杂的计算机模拟。但谁会疯狂到试图建立一个聚变反应堆?

蒸汽朋克解决方案

Michel Laberge感到厌倦。2001年,他已近40岁,在过去10年间,他为加拿大Creo公司设计了激光打印机,他一直在努力使机器更快速和便宜。是时候做更多的事情了。在职业生涯初期,他在加拿大英属哥伦比亚大学、法国巴黎综合理工学院和加拿大国家研究委员会研究了激光用于激发核聚变反应的可能性。

Laberge知道成功的核聚变反应堆会为地球带来什么。因此,他卖掉了所拥有的Creo公司股份,辞去工作,并开始着手建造一个反应堆。

在浏览文献时,Laberge无意间发现了上世纪70年代海军研究实验室的一个名为LINUS的项目 一个磁化目标聚变的早期尝试。LINUS项目旨在将核聚变燃料制成等离子磁化球,并在一个液态金属壳中点燃。一旦金属壳和等离子就位,气动活塞将撞进金属壳,压缩并爆聚等离子,提高其温度和密度。1980年,LINUS项目关闭。但Laberge认为它是一个伟大的方案。他提到,该项目的失败是因为上世纪70年代的技术无法胜任。

Laberge说服几位Creo公司前同事进行投资,并利用加拿大政府的小笔津贴,制造了一台利用电脉冲模拟活塞作用的桌面设备。这足以产生一些中子,而中子是核聚变反应正在发生的信号。2002年,Laberge和同事成立了通用聚变公司,目前该公司已经有60多名雇员。

2009年起,他们获得6200万加元资金。利用这些钱,他们建造了一台看上去像直接从蒸汽朋克走出来的东西 一种巨大的机器海胆。直径约为1米的球形钢制反应室是14个大炮尺寸的空气驱动活塞,并向四面八方突出。它的工作方式听上去有些特殊。

首先,研究人员沿反应室四周搅动熔铅,创造出中间有空隙的涡流;在空隙中,他们点燃聚变燃料紧凑环形线圈。然后,活塞以每秒50米的速度敲下,猛烈撞击反应室壁上的插件,发送冲击波穿过熔铅。冲击波将燃料挤压到极高的温度和压力,然后爆炸!一次小型核聚变爆炸在理论上发生。

目前的设备无法实现核聚变;它只是实现了压缩系统。我们在试验密封、泵送和冲击波,以了解该技术。Laberge说。另外,研究人员还在研究注射器等离子枪,用来制作燃料球,并将其射入压缩机内。

在所有这些努力中,他们遇到了不少难题:活塞破裂、冲击波带出铅液滴,以及等离子冷却过快或密度过低。但是他们没有退却。我们正与投资者进行接洽。通用聚变公司战略和企业发展副总裁Michael Delage说。

科普作家之歌

Eric Lerner是一位不太可能的核聚变科学家。他中止了物理学研究生课程,转而成为一位成功的科普作家。1991年,他出版了颇具争议性的书籍《大爆炸从未发生》,书中,他描述了一个并非重力和量子力学,而是等离子物理学控制下的宇宙。

实际上,当时Lerner已经开始进行核聚变装置的独立研究,并注意到一种所谓的稠密等离子体焦点它是由俄罗斯于上世纪50年代发明的。DPF创建了一个聚变燃料的紧凑环形线圈,然后利用电磁作用将其压缩到极小的尺寸。

经过10年研究,Lerner获得了美国宇航局喷气推进实验室的资助,以评估DPF能否被用作航天飞机推动力。7年后,在花费了30万美元后,NASA取消了该项目,于是,Lerner开始寻求私人资金。

又过了7年,他筹集到120万美元,足以支持他在新泽西州建设自己的实验设施劳伦斯维尔等离子体物理。但勉强糊口的状态在延续:Lerner在过去5年里从60位不同的投资者那里获得200万美元经费。与其他项目相比,我们是技术上最先进的,但也是经费最少的。他说。

相比之下,通用聚变公司的充气巨怪让Lerner的设备看上去像是一个玩具。后者的核心是两个圆柱形电极,一个在另一个的内部。外部电极直径仅18厘米,并且整个设备被密封在充满弥散气体的管中。一个巨大的电脉冲从外部电极冲向内部电极,产生等离子体环形外壳。然后,电流产生的磁场将等离子环挤压成一个微小且致密的等离子体球。

崩塌的磁场会诱发电场,驱动电子束穿过等离子体,并将其加热到数亿度的高温。如果所有的事情都能按计划进行,等离子球将获得足以产生核聚变反应的高温和密度。

Lerner表示,该设备能达到必需的温度,但难以让粒子获得必要的密度。问题是电极会蒸发出铜原子,并污染等离子。就在不久前,LPP获得一套新的钨电极,并通过众筹活动筹集了20万美元经费。我确信新电极将从根本上减少杂质,并将密度增加100倍。Lerner说

《中国科学报》 (2014-07-30 第3版 国际)更多阅读《科学》相关报道

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