减少产物中子有望实现更清洁的核聚变？各核聚变公司正在进行新尝试

传感器技术 | 2024-01-03 00:51:44 阅读：192

一直以来，人们在寻找更清洁和更加可持续的能源，核聚变是潜在的解决方案之一。

根据聚变工业协会《全球核聚变行业报告》，“全球核聚变产业的投资已增加至 62.1 亿美元。目前，全球经营核聚变业务的公司约 43 家[1]。”
科学家们正在努力开发可控的核聚变技术，以实现未来可持续的大规模能源供应。最近，一些核聚变商业公司试图从无中子聚变或减少中子的方法推进技术的发展。
要想了解无中子聚变，先要从它的作用说起。核聚变是一种核反应，由两个轻核聚合在一起形成更重的核。
在核聚变过程中，轻元素的原子核会融合成更重的元素，从而释放出巨大的能量。
在核聚变反应中，通常使用氢同位素氘和氚作为燃料。由于氘和氚是氢同位素，当它们受到足够高的温度和压力时，会发生聚变反应。
与此同时，在核聚变过程中也会产生超通量的中子。中子在核聚变反应中，发挥着提供能量和促进连锁反应的作用。
值得注意的是，控制中子的释放和捕获对于实现可控核聚变非常关键。在实验室和未来的聚变反应堆中，需要有效地控制和调节中子的产生和释放，以防止中子辐射破坏反应堆壁，以及对基础设施和附近的生物造成影响。
现在，领域内的研究人员正在致力于解决中子的问题。他们的方法是将氘氚燃料换成自然界存在的核素，这些元素在融合时会释放带电粒子，而不是高能中子。
认同无中子聚变方法的人们认为，这些设备最终将更容易制造，并且更适合制造电力系统，因为更容易将带电粒子的能量转化为电能。此外，它们产生很少或者基本不产生放射性废物。
核工程师、美国威斯康星大学名誉教授杰拉尔德•库辛斯基（Gerald Kulcinski）对媒体表示：“从 20 世纪 60 年代到 80 年代，人们在先进燃料方面做了很多研究。”
他说，由于该核反应的诱发的难度约为氘-氚反应的 10 倍，因此从 10 年前开始，这项研究不受欢迎了。
“考虑到中子对反应堆壁造成的破坏因素，人们又开始更多地关注先进燃料。”

TAE：氢-硼核聚变
TAE Technologies 公司是一家位于美国加利福尼亚州的核聚变能源公司。它成立于 1998 年，目前已获得 1400 多项专利和超过 12 亿美元的投资。
截至目前，该公司已建成 5 个国家实验室规模的装置，并成功产生和约束聚变等离子体超过 14 万次。
在 TAE 看来，将氢和硼（p-¹¹B）作为反应燃料不仅清洁，并具备成本优势。硼具有资源丰富、能源安全的特点。在氢-硼聚合反应发生之后，会释放出 3 个带正电的氦-4 原子核，也被叫做 α 粒子。

图丨TAE C-2W（来源：TAE Technologies）
TAE 设计通过反场构型的聚合装置（Field Reversed Configuration，FRC）来限制等离子体，这种构型能实现的反应温度非常高，在 FRC 中，等离子体主要被局限在内部磁场，而不是依赖外部施加的磁场。
但是，也必须看到，FRC 在历史上不被看好的声音也一直存在。一旦等离子体操作不当，破解了封闭的磁场，等离子体也会冷却。
最近几年，TAE 通过研发实时重塑和重新定位等离子体的方法和硬件，利用 AI 和机器学习，来探索实现等离子体稳定的方法。
TAE Technologies 的 CEO 米希尔•本德鲍尔（Michl Binderbauer）对媒体表示：“现在我们可以操纵这些电流，并保持它们稳定，它的行为与预测的完全一致。”
此外，将氢-硼作为核聚变燃料还有另一个显著的缺点，它所需要的条件是超过 30 亿摄氏度的极端温度。
需要了解的是，该温度是氘-氚反应所需温度的 20 到 30 倍。很多物理学家认为，在这样的温度条件下，电子辐射冷却等离子体的速度将快于加热等离子体的速度。

图丨α 粒子探测器（来源：Nature Communications）
2023 年 2 月，TAE 和日本国家聚变科学研究所的联合团队，创新性地在磁约束聚变等离子体中成功进行氢-硼聚变实验，副产品仅为氦。
该研究证明了无中子聚变的可行性以及对氢硼的依赖，相关论文发表在 Nature Communications[2]。
这项实验为我们提供了丰富的数据可供使用，并表明氢硼聚变反应在大规模的聚变发电中占有一席之地。

我们可以解决当前的物理挑战，并为全球提供一种依赖这种非放射性、丰富的燃料的革命性的新型无碳能源。”本德鲍尔对媒体说。
公开资料显示，TAE 的目标是在 2030 年代建立首座氢硼聚变发电厂并网。
TAE 正在通过 FRC 推进一种模块化、易于维护的设计，该设计将具有紧凑的占地面积，并有可能利用更高效的磁约束方法。与托卡马克相比，这种方法的输出功率有望提高 100 倍。

Helion Energy：使用氘和氦-3 为燃料

Helion Energy 是位于美国华盛顿州的核聚变公司，他们使用氘和氦-3 作为燃料。氦-3 是一种氦气同位素气体，仅占地球可用氦的 0.0001%，并且生产成本极高。
月球表面的氦-3 大约有 110 万吨，一种观点认为，人们最终有可能会在月球表面开采氦-3。但是，Helion Energy 储备氦-3 的方法和月球无关，他们打算利用氘-氘反应的副反应。
氘和氦-3 聚变产生的带电粒子，可以直接被重新捕获为电能。这有助于保持 Helion Energy 系统的小巧、高效，使他们能够以更低的成本、更快地构建系统。
这种燃料循环还减少了中子排放，大大减少了氘氚聚变燃料研究人员面临的许多工程挑战。

（来源：Helion Energy）
截至目前，Helion Energy 生产氦-3 的量并不多。但是，他们已经获得高效封闭燃料循环专利，并试图通过这种专利技术来提高氦-3 的产量。
由于不可忽视的高温条件，库辛斯基对媒体表示：“氘和氦-3 也许是对氘-氚和 p-¹¹B 的暂时过渡。”
值得注意的是，氘和氦-3 反应以快中子的形式释放约 5% 的能量，它不完全是无中子反应。也就是说，它们不能完全杜绝辐射的危害，只是使相关危害显著降低。
Helion 的策略并非持续地产生反应，而是通过设备以一次脉冲每秒发出的形式，在中心产生稳定的 FRC，并用磁场压缩等离子体，直到它的温度和密度达到聚变。
当聚变释放能量时，促进磁场被等离子体向外推动，核聚变系统通过磁线圈得到带电能量。

一些其他的尝试
澳大利亚初创公司 HB11 Energy，旨在创造清洁、安全、可靠的新能源。该公司通过高功率激光器与磁约束相结合来融合氢和硼。
该方法利用啁啾脉冲放大激光器的超短脉冲（该技术获得 2018 年诺贝尔物理学奖），来快速加速氢穿过俘获磁场内的硼燃料，在它们碰撞时产生核聚变。
Marvel Fusion 是一家德国核聚变能源初创公司，在 2019 年成立。该公司正在寻求在纳米结构目标中使用高能激光和 p-¹¹B 燃料进行激光引发的惯性约束聚变。
最近，Marvel Fusion 和美国科罗拉多州立大学合作，在科罗拉多州柯林斯堡正建造世界上最强大的激光设施之一。
Princeton Fusion Systems 是一家专注于为陆地和太空应用开发小型、清洁的聚变反应堆的公司。
该公司的 FRC 反应堆建立在普林斯顿等离子体物理实验室超过 15 年的研究和经验基础上，主要由美国能源部和美国国家航空航天局资助。
他们利用氘和氦-3，并使用射频加热形成 FRC 和进行等离子体加热。该公司通过超导磁体技术，为航天器生产移动和便携式动力以及聚变推进提供紧凑型系统。

图丨普林斯顿场反场构型 2 号（来源：Princeton Fusion Systems）
另一方面，普林斯顿等离子体物理实验室在 Journal of Fusion Energy 报道了普林斯顿场反场构置（Princeton Field-Reversed Configuration，PFRC）核聚变反应堆[3]。
这个概念是一种创新的聚变发电方法，优先考虑降低中子产量和小尺寸。分析建模和数值模拟的结合表明，新颖的加热方法能生成具有闭合场线的 FRC。
无论未来发展的结果如何，有或没有中子的聚变，在全球努力解决气候危机的今天，这无疑提供了一种新的可能性。

来源：深科技

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