可控核聚变的技术难点有哪些?
可控核聚变,需要把聚变材料束缚在装置内,使之达到上亿度的温度,然后发生聚变反应释放能量,并且实现稳定输出。
目前实现可控核聚变的方式有两种,一是超强激光束进行能量聚焦,二是托卡马克装置。
激光方面美国的技术最先进,但还是远远达不到商用可控核聚变的程度,该技术需要使用尽可能多的激光束,把能量聚焦到一个点上,每个方位的能量输入不能有偏差,这点难度就非常高,而且强激光对光学设备的要求极高。
而托卡马克装置,在技术上稳步进展,国际上已经能实现输出能量大于输入能量的水平,我国的“人造太阳”也达到了较高的水平。
但是托卡马克装置还存在很多技术瓶颈,距离商用还有很长的距离,比如以下两个难点:
第一壁
可控核聚变主要用到氘核与氚核聚变,反应方程式为:
3H+2H→4He+n,ΔE=14.6MeV;
原子在高温下将成为等离子态,利用磁场可以把原子核与电子分离出来,等离子电浆在托卡马克装置中被束缚;但是反应产物中子不带电,高能中子会频繁撞击内壁,造成内壁物质不可逆转的改变。
虽然等离子体被磁场束缚,但是内壁温度还高达1000℃,在等离子体解体时,内部温度高达3000℃;如果没有应对这种极端条件的材料,频繁更换内壁将是很麻烦的事。
超导材料
托卡马克装置的关键,就是需要利用超导体来制造强磁场,磁场越强束缚高温等离子体的能力越强,目前的超导材料需要在130K温度附近实现。
一边上亿度的超高温等离子体,一边需要保持零下100多摄氏度的超导体,如何把两个系统长时间放到一起稳定运行是一大难点,而且核聚变的中子无法100%隔离,高能中子还会损害超导线圈。
目前期望的解决途径,就是常温超导体,利用常温超导体能大大降低超导系统的复杂程度,但是常温超导体的研制,还没有突破性进展。
除了以上两点,氚元素的来源、磁束缚时间、能量控制、产物导流等问题都有待攻克。
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