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受控核聚变

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steelen 发表于 2013-4-27 18:45:11 | 显示全部楼层 |阅读模式
 对于受控核聚变来说,温度是最关键的。氘氚聚变需要的温度是10KeV (相当于1亿度),而氘与氦3的聚变,要想达到一个"体面的"反应率,需要的温度是100KeV。达到这个温度并不难,比如日本的JT-60已经实现了50KeV。可是温度越高,保持这个温度也越困难。从这个角度推测,氦3聚变必然比氘氚聚变要困难。既然如此为什么有这么多人谈论氦3,难道他们都是小学还没毕业就设计博士论文么?
  
  在一本1997年出版的书里面,以及在网上搜索氦3聚变,所有链接都最终指向威斯康星大学的聚变技术学院中的一个实验室。这个实验室实现了氦3的聚变反应。更有意思的是,他们用的办法不是主流的托克马克或者惯性约束,而是"静电场约束"(Inertial-Electrostatic-Confinement,以下简称IEC)。这其实是一个已经有几十年历史的设计(也叫fusor),其原理如下图:
  
  图中半径45厘米的大球是一个真空室,里面有一个半径10厘米的金属网格。真空室的电压为0,而金属网格带有10万伏的负高压,这样就形成了一个电场。因为参与聚变反应的原料都是带正电的离子,它们一定在电场作用下会以高速往中间跑,并且来回震荡,在碰撞过程中就会发生聚变反应。相对于ITER那样的庞然大物,IEC整个装置并不是很大(这哥们不会找我要肖像权吧):
  
  内部的金属网格闪闪发光:
  
  在这个装置上已经实现了稳定的氘-氦3聚变,反应率达到了每秒260万次,产生了大量质子,但输出能量远小于输入能量,目前还远远不足以用来发电。目前IEC的实用价值主要是可以作为一个便携式的中子和正电子产生器,比如说用于医学。我本能的反应是,这种有点另类的装置是否能独辟蹊径?具体说,就是:
  
  "静电场约束"+氦3,在技术上是否比主流+氘氚,更有可能早日实现聚变发电?
  
  有调查研究才有发言权。在网上根本搜索不到上面这个问题的答案。所以我做的调查研究非常简单。我直接给这个实验室发了封电子邮件。
  
  我提出了两个问题:1)对于氦3聚变来说,IEC是否是比主流装置更有优势?2)对于IEC来说,相对于主流的氘氚聚变,它是否更愿意进行氦3聚变?
  
  回信非常实在:1)主流不做氦3,是因为主流装置都是专门设计的大型装置,当然要做更现实的氘氚聚变;2)即使是对于IEC来说,也是氘氚聚变更容易。对于氦3,因为它有两个质子,所以如果能把氦3原子的两个电子都打掉,它的带电量就比氘氚高一倍,从这个角度来说的确在IEC里面更容易加速。但他承认,目前还不知道怎么打掉第二个电子。
  
  在回信中这个哥们还告诉我一个我在网上没看到的情况,就是要想增加反应率,必须提高能量输入,但反应率似乎有一个上限,接近这个上限的时候你增加很多很多能量,反应率却只增加一点点。
  
  后来我在wikipedia介绍fusor的条目中查到了其中的本质原因。静电场约束只能约束带正电的离子(中心网格带负电),或者只能约束电子(中心网格带正电),但不能同时约束离子和电子。IEC的情况是真空室里面能达到中心的只能是离子,而这么多离子聚在一起他们会互相排斥,也就是说密度高不了。这也就意味着反应出来的能量密度高不了。而托克马克里面是同时有电子和离子的,只不过他们互相自由运动而已,所以托克马克可以达到相对比较高的密度。正是因为这个原因,有人认为IEC装置永远也不可能实现聚变发电。
  
  其实还有一些其他的装置可以实现氦3聚变,但目前为止氦3聚变的"主流"是IEC。然而IEC是聚变发电的"非主流",它固然有很多具体应用,可是发电看来希望渺茫。除非将来发现"未知的未知",否则氦3必然是一个比氘氚还要遥远的梦想。
  
  所以我发现的答案是这样的:为什么这么多人谈论氦3?因为科学家需要发表论文。我曾经看到一个非常长的宣传氦3的演示文件,前面相当大的篇幅居然是从能源危机开始谈,到最后也没说多少技术可行性。氦3的确很遥远,但NASA有不少经费支持聚变发动机。
  
  登月需要理由么?仅仅带动一个国家相关学科发展这一条,它就不可能是形象工程。所以我认为登月就好好登月,没必要非得说氦3。


该贴已经同步到 steelen的微博
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 楼主| steelen 发表于 2013-4-27 18:46:01 | 显示全部楼层
周末想在家做个什么东西么?Mark Suppes白天是个网站设计师,他已经在美国布鲁克林(Brooklyn) 建造了他自己的核聚变反应堆。
Suppes的这个反应堆,大小和空调差不多,核聚变是世界能源问题的解决方案,但Suppers这个反应堆并没达到这个水准... 现在Suppes和其他37人都已被在线社团Fusor.net承认实现了自制核聚变反应(其中还有一名15岁的美国密歇根州少年呢)。由于Suppes的这个装置位于美国人口最稠密的城市,“核”这个词确实带来了一些担忧(让人们听起来不太舒服)。
不过让我们放轻松吧(布鲁克林居民不必紧张),这类反应装置即合法又安全,没有使用铀或钚这类与核武器联系在一起的裂变物质,不产生污染和其他副作用,只产生热量。Suppes的这个装置使用氘气作为反应堆燃料,装置最终会创造出一个理想的聚变环境。
尽管Suppes这个装置中的所有组件,包括氘气都是通过合法渠道得到的,其中的一些还是有一点危险的。装置的电源提供了3万伏的电压,当发生聚变反应时会释放出可忽略的辐射。
之所以选择氘(氢的同位素,原子核中含有一个质子和一个中子),是因为它聚变成为氦的温度只有80万度,而像太阳那样以普通氢为原料的核聚变温度需要达到一千五百万度。
Suppes的这个装置输出功率小于输入功率,还不是科学家所希望的能带来清洁、廉价能量的装置。不过Suppes希望以后某个时候吸引一些投资来把装置建成为能量得失平衡的设备。这里有个视频可以看Suppes做了什么事情。

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总是有人试图在家中DIY各种核实验,但核实验显然是复杂的。资讯中所谓的核反应堆即使真能实现聚变反应,很可能输出能量也远小于输入能量。
哈林坚持认为还必须要找相关核实验员核实,“是因为得大约知道这样的反应需要在什么样的真空度下进行,多高的电压,什么浓度的He3。知道以后,跟那个新闻对照一下,就能大概知道那里面是否有可能是核反应。视频里,通电后chamber发光,然后就说是有核聚变,太草率了,我要是非说是等离子体呢?”
沐右认为“发光应该就是等离子体。视频里那个人说发生反应是从chamber上拿起来一个可能是探测中子、质子辐射的管子,说有很多气泡说明有反应产物。我也不知道他的实验条件下能否发生核反应,但是这个东西肯定不能用来搞新能源。”。


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 楼主| steelen 发表于 2013-4-27 18:53:46 | 显示全部楼层
实验室实现了氦3的聚变反应。用的办法不是主流的托克马克或者惯性约束,而是"静电场约束"(Inertial-Electrostatic-Confinement,以下简称IEC)。这其实是一个已经有几十年历史的设计(也叫fusor),其原理如下图:

图中半径45厘米的大球是一个真空室,里面有一个半径10厘米的金属网格。真空室的电压为0,而金属网格带有10万伏的负高压,这样就形成了一个电场。因为参与聚变反应的原料都是带正电的离子,它们一定在电场作用下会以高速往中间跑,并且来回震荡,在碰撞过程中就会发生聚变反应。相对于ITER那样的庞然大物,IEC整个装置并不是很大:

内部的金属网格闪闪发光:

在这个装置上已经实现了稳定的氘-氦3聚变,反应率达到了每秒260万次,产生了大量质子,但输出能量远小于输入能量,目前还远远不足以用来发电。
                                          革命还得继续


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