日期:2024/06/08   Warton

聚變反應器測試的最新進展

最後五篇文章位於我的部落格：sites.Uci.edu/energyobserver

這是 OLLI 加州大學歐文分校關於 2021 年科學突破的講座的一小部分，與 NASA 天文學家 Bob Wilson 分享。

量子聚變和“墜落地球的人”系列。

Showtime 系列在第 3 集結尾處透露了技術啟示：他和女主角等離子體物理專家將帶來的不是冷聚變，而是量子聚變。

實際上，所有聚變都是量子的，而且不僅僅是一種方式，而是三種方式。

聚變基本上是兩個氘核（質子加中子）與 He4 核（兩個質子和兩個中子）的組合，每次聚變釋放 22 MeV。 正常的化學結合約為電子伏特。 所以這是一千萬倍。

首先，質子和中子結合成原子核，大致上是透過π介子交換的強力，或是夸克和膠子透過膠子交換結合。 這也提供了我們的大部分質量，因為有色夸克和膠子被束縛或限制在無色核中。 這種結合形成具有非零能量和內動量的束縛態。

現在，這三種形式的氫原子核都具有一個帶正電的質子和零個、一個或兩個中子，稱為質子、氘核或氚。 在等離子體中，排斥電子力使它們遠離具有吸引力的 10^-5 埃核力範圍和核尺寸，從而避免融合。 原子核的氣體必須加熱到一億開爾文或攝氏度，這樣即使麥克斯韋-玻爾茲曼速度分佈的尾部也將提供一些最高速度的原子可能發生聚變。

但即便如此，也不足以跨越令人厭惡的庫侖勢壘。 原子核必須依靠量子隧道效應來欺騙它們所縮放的庫侖勢壘。 太陽中心的溫度為 2700 萬攝氏度，即使這種情況發生得如此緩慢，太陽仍將存在 45 億年左右。

但氘核最初是如何形成的呢？ 它們來自大爆炸平衡，透過質子透過捕獲電子轉化為中子的量子過程。

我們現在知道，這是透過高品質（80 GeV）W 玻色子量子過程的弱耦合和短程虛擬交換發生的：

然後，中性中子與質子強烈結合，形成穩定的氘核。

現在氘核比單一質子大，因此在強力作用下讓兩個氘核合併比兩個質子更容易。 而且氚的體積更大，因此大多數人造聚變都是從更豐富的氘核加上稀有的氚核開始的。

氘和氚的聚變產生 He4 核和中子，釋放 17.6 MeV 的能量。 He4核攜帶3.5 MeV，中子帶走14.1 MeV。

根據給定的數字，總能量輸入為 3 kWh，或運行微波爐三小時的能量。 反之亦然，如果實現了盈虧平衡聚變，那麼在使用了那麼多能量之後，它就會產生那麼多能量。

氚的衰變半衰期為 12.5 年，即每年衰變 5.5%。 它是由宇宙射線製成的。 核武試驗也有大量生產。 目前的氚是透過含有鋰 6 的控制棒製成的，並在 TVA 核反應器中暴露於反應器中子。

慣性約束聚變反應器的概念是每秒投入 16 個新的黑腔，每個雷射脈衝產生 2 兆焦耳的聚變能量輸出。 照這個速度，總輸出將約為千兆瓦，與美國標準核反應器相當。

使用的雷射是磷酸釹玻璃。 7,680 個由電容器供電的閃光燈使它們全部進入激發狀態，這些電容器在 30 秒內累積電荷。 與概念工作聚變反應器所需的每秒 16 次閃光和放電相比，縮短了 500 倍。 在光學上，在被發送到黑腔之前，它在紫外線中被三倍提升到 3.5 電子伏特。

除了加熱氘氚等離子體體外，更高的壓力還可以確保每秒發生更多的聚變碰撞。 黑腔的消融和氘氚艙表面的加熱在中心產生了 4000 億大氣壓。

雖然融合輸出的 2 兆焦耳是輸入動能的六倍，但也等於輸入的雷射能量。 然而，激發雷射的閃光燈以 1 億安培的電流輸入 330 兆焦耳的能量。 因此，就整個系統的能量輸入而言，每次點火輸出的 2 兆焦耳能量似乎少了 165 倍。

 國家點火裝置位於加州利弗莫爾的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室，距離舊金山以東 45 英里。 NIF 在一座覆蓋三個足球場長度的 10 層建築中使用 192 束雷射光束，以十億分之一秒的脈衝傳遞 200 萬焦耳的能量。

NIF 在 2021 年實現了 3 次聚變，這是自 2009 年開始以來的突破。 另一個是 0.43 兆焦耳，最後是 0.70 兆焦耳。

除了歐洲 ITER 250 億美元的全球合作之外，還有包括我們當地的 TAE Technologies 在內的多家公司希望能取得突破。 TAE得到了Google包括其電腦能力的支持，並希望在2025年實現融合。

在《墜落地球的人》第五集中，法拉第取得了一個輝煌的突破，看起來有點像下面英國球形托科馬克能源生產（STEP）聚變反應器的託卡馬克或環形設計。 建成後，其設計輸出將達到數百兆瓦。 雖然國家點火裝置已經研究了50多年，但在上述系列的第7集中，他們計劃在一個月內建立生產，然後每年生產100萬個微型反應器。

Recent Progress With Fusion Reactor Tests, and “Quantum Fusion”