当前位置: 华文星空 > 知识

核聚变是一条死胡同吗?

2020-05-29知识

聚变主流的roadmap大概是ITER->DEMO->PROTO。期间有几十年的时间,一堆难题,任何一步没走好,下一步就很难实现。但是要让聚变走入死胡同还是没那么容易的。需要发现根本性的缺陷才有可能会。

以前有过比较火的聚变装置因为被发现了根本性缺陷导致被学术界冷落的。

比如说球马克(spheromak)。球马克也是一种磁约束等离子体。它和托卡马克的主要区别在于:球马克是一种self-organized plasma,因此它不需要外部磁场,装置可以设计的很紧凑。球马克的电流驱动一般通过CHI(coaxial helicity injection)实现。

球马克的基本特征。图来自Magnetic Helicity, Spheromaks,Solar Corona Loops, and Astrophysical Jets(Paul M. Bellan)

上个世纪80年代到21世纪初,球马克的研究还是比较火的。全球各国也建了不少装置,比如日本大学的z-theta spheromak,马里兰的PS,Los Alamos的CTX,普林斯顿的S1,东京大学的TS,LLNL的SSPX等等。

规模最大,最接近聚变状态的球马克是21世纪初LLNL的SSPX,三重积 n\tau_ET 最高纪录有 \sim 10^{17} m^{-3} keV s 。作为参考,聚变堆需要 \sim 3 \times 10^{21} m^{-3} keV s ,而托卡马克的最高记录是JT-60U的大概 \sim 6 \times 10^{20} m^{-3} keV s 。

SSPX Spheromak experiment. https://doi.org/10.1088/0741-3335/54/11/113001

SSPX的实验发现了球马克的根本性缺陷:维持电流需要helicity injection,但是这会破坏flux surface导致thermal confinement很差。简单来讲就是:三重积里面的 \tau_E 和 T 是根本不兼容的!

实验结果显示从概念上就无法通过球马克实现聚变,可以说直接给球马克研究判了死刑。从那之后的十几年到现在,世界上再没有出现大型球马克。我所在的实验室还在搞球马克,不过主要是研究基础物理现象(如磁重联),和聚变是无缘了。

现在主流的托卡马克是最有可能实现商业聚变的装置。在过去的几十年里托卡马克的三重积提高了6个数量级。但是只要在未来的实验中发现任何根本性的问题(类似球马克的 \tau_E 与 T 不兼容),托卡马克也将进入死胡同。到那时如果Tri Alpha Energy或者Tokamak Energy那些搞的稍微偏门的方向也遇到类似问题的话,聚变也许会真的走入死胡同。不过只要没有那么严重的问题的话,聚变研究应该还是会继续的吧。