大国院士第五百四十九章 换一种聚变方式
办公室中，徐川和梁曲闲聊了一会，听了一下后续的工作安排。 仿星器的实验他已经没有插手了，几乎都放给了能源研究所这边安排，华星聚变装置的第一次运行，数据还是相当的漂亮的。 不过他还是有一些其他方面的担忧。 当然，他并不是担心仿星器无法实现真正的点火运行，这个点他不担心。 由综合型托卡马克装置改变成先进型仿星器装置，路线更换的过程中需要调整的东西虽然有不少，但核心仍然是建立在磁约束理论的基础上的。 而磁约束的核心，摸过等离子体湍流的数控模型、第一壁材料和约束磁场这三大块了。 这三块核心，在破晓聚变装置上他们早就搞定了。 徐川担心的，原本有两块，第一块是小型化的可行性，另一个则是仿星器的功率可能不足，即实现点火后，引导出来的能量，可能远远不够。 第一个问题从如今的实验数据来看已经没什么太大的问题了。 但第二个问题，还不知道是什么情况。 仿星器的优点在于等离子体湍流的控制比托卡马克装置要强很多，但它的功率，也是公认的比托卡马克装置要低。 它的输出很难，或者说几乎无法和托卡马克装置相比了。 这是因为仿星器的结构而注定的事情，也是徐川最为担心的一块地方。 尤其是的小型化后，功率可能会更低，低到产生的能量完全不够的地步。 毕竟体积小了，反应堆腔室中能容纳的等离子体数量也会更少，而氘氚等离子体的数量少的话，其碰撞形成聚变的概率也就更小。 可控核聚变反应堆，并不是说实现了点火，稳定了等离子体湍流的运行，完成了氘氚聚变并能将能量引导出来就行了。 这些只是聚变的基础，而在基础上，还有个东西叫做q值。 这里其实涉及到怎样才能算是“实现了可控核聚变”这一个概念。 可能会有很多人认为，只要是维持了反应堆腔室中等离子体运行，让其聚变并且能引导出来能量就是实现了可控核聚变。 但实际上严格意义上来说并不是。 核聚变不是随随便便就可以点燃的，我们需要先向反应炉输入能量才有可能从中得到输出的能量（这指的是通过icrf加热天线提升等氘氚离子体的温度，让其碰撞聚变，产生更多的温度）。 如果将输入的能量看做‘输入x’，那么在维持等离子体运行的基础上，从反应堆中引导出来的能量，就是‘输出y’。 而y-x的差值，就是所谓的q值。 只有当q值等于一的时候，反应堆才能不需要外界的能量输入，依靠自身的聚变反应来维持稳定。 而q值超过1，则代表值反应堆可以向外面输出能量，q值越高，输出的能量也就越高。 但由于目前的科技，发电站并不能对核聚变产生的能量进行 100的转化，理论上来讲能达到40至50就非常了不起了，破晓聚变堆使用了磁流体机组+传统热机也就达到了73而已。 再加上其他的各种损耗，粗略的进行估算，q值等于25的时候，可控核聚变就可以“保本”，即投入的‘钱’和发电产出的‘钱’平衡了。 只是显而易见的是，光是“保本”是不行的，考虑到庞大的基础设施以及后续的维护成本，科学家普遍认为，可控核聚变的“q值”至少要大于50，才能算是真正实现了可控核聚变技术。 而破晓聚变装置的q值，超过三位数。 这也是徐川当初选择托卡马克装置作为目标的原因，托卡马克装置的内部温度更高，反应堆腔室规整，能容纳的氘氚等离子体更多，产生的q值会更大。 听着徐川提出的这个问题，梁曲思索了一下，回道：“提升聚变的温度或许可以解决这个问题？” 徐川点了点头，道：“这的确是一个办法，可以考虑。不过提升温度，对于仿星器来说，一方面难度较大，另一方面可能有点治标不治本。” “环形磁场中的带电粒子一般需要沿环运动多圈才能连接底部和顶部，从而进行有效地中和电荷积累。但这一点对仿星器很不利，仿星器的各种形态的线圈数目非常多且极不规则，会形成大量局部磁镜。” “而磁镜是可以在一定程度上约束带电粒子的，这将导致一些粒子被“捕获”在局部磁镜中，无法完整地完成环向运动，也就不能消除磁场曲率和磁场梯度带来的漂移，进而导致粒子损失。” “特别是用于加热其它粒子的高能离子，由于碰撞频率很低，一旦被局域磁镜捕获就几乎逃不出来，损失很快。这对于聚变堆的自持加热（聚变反应产生的35 v氦原子核加热氘和氚）是极为重要的。” 梁曲提出的建议的确可行，因为温度越高，粒子的活跃性就越高，越是活跃，产生的碰撞几率就越大。 但他更多思索的，是如何从根源上去解决这个问题。 这些天他一直都在思索如何重构仿星器的外场线圈和磁铁绕组，并不是单纯的因为三维结构的改进型超导体线圈的生产太难，还有一部分原因也是在想办法解决这个问题。 闻言，梁曲也有些头大，皱眉思索了一番后开口说道：“但是仿星器的结构，要改变的话难度实在太大了。” “它本身就是通过极高的工程难度来降低磁约束的难度的，如果重新构设的话，难度先不说，改变了它的结构，是否还能继续小型化也是个很麻烦的事情。” 徐川摇摇头道：“不，仿星器的整体结构和形状不能进行大幅度的调整和修改，调整了的话我们需要面对等离子体磁岛、磁面撕裂、扭曲摸效应等问题。” “而这些问题在小型化的过程中我们暂时根本就没有手段解决，所以只能依赖仿星器特殊的结构来避开。” 闻言，梁曲皱着眉道：“那这样的话就难了，目前来看，仿星器是小型化最有希望的一个，如果仿星器都行不通的话，我真不知道还有什么能行得通，球床？还是惯性约束？” 徐川思考了一下，道：“球床也需要面对等离子体磁面撕裂的问题，解决的办法几乎没有，惯性约束这条路线我都不知道它能否走通聚变，暂时先放弃。” “那你的想法呢？” 梁曲皱着眉头看向徐川询问道，在可控核聚变领域，他才是被誉为‘可控核聚变之父’的第一人。 思索了一下，徐川开口道：“我在考虑两方面的东西。” “哪两方面？” “第一方面是改造仿星器的磁铁绕组和外场线圈。” 说着，徐川将办公桌上的稿纸整理了一下，递给了梁曲：“你看看这个，之前西部超导集团那边反馈三维结构的外场线圈和磁铁绕组生产极其困难，针对这个问题，我结合了一下刚刚说的仿星器能效过低的问题进行重构了一下外场线圈和磁铁绕组的结构。” 看着推过来的稿纸，梁曲眼神闪烁了一些，带着些许的好奇接了过来。 “永磁体仿星器？” 看着稿纸上的标题，梁曲念叨了一句，认真的翻阅了起来。 徐川点了点头，抿了一口茶水后开口说道：“仿星器的问题在于两方面，一是传统仿星器磁场的波纹度比托卡马克大，导致其新经典输运水平和高能粒子损失水平高于托卡马克装置。” “二是它需要三维结构的线圈，结构复杂、制造难度大、成本相当高。” “所以如何降低仿星器的新经典输运水平和高能粒子损失水平，以及用工程简单的永磁体块产生所需的三维磁场是研究难点” 听到这话，正在翻阅稿纸的梁曲插了一句：“你这是准备用永磁体来代替原先磁铁绕组？” 徐川点了点头，道：“从理论计算来看，通过仿星器磁场位形优化，可以实现精确准对称，进而证明仿星器在理论上是可以实现和托卡马克相当的新经典输运水平和高能粒子损失水平的。” “而这方面的设计可以通过优化外场线圈和磁铁绕组来进行。” “如果先对磁铁绕组进行修改，将永磁体块大小、形状，剩磁强度完全相同且磁化方向为有限个指定方向之一，可以在螺旋石-7x原有的基础上，将永磁体和准对称位形结合起来，重构成新的永磁仿星器，或许能解决这两个问题。” 翻阅着手中的稿纸，听着徐川的讲解，梁曲的眼神也明亮了几分。 他顺着徐川的话继续道：“相比于目前的仿星器采用的极为复杂的三维扭曲线圈，可批量制造的标准化磁体块以及简单线圈的低生产成本和低工程难度对仿星器的设计、建造、维护都极大程度的削弱了工程难度。” “而且统一的大小、形状使得永磁体块可以拼装起来，有利于装配精度控制。” “妙啊！” “这思路，绝了！” 说到最后，梁曲都忍不住竖起了大拇指，不愧是可控核聚变之父，在这一领域上的理解，超出了常人最少十几年的时间。 徐川笑了笑，轻轻的摇了摇头，开口说道：“即便是它可行，这也只是解决工程难度的办法。而高能粒子损失问题，亦或者说聚变能量不够的问题，恐怕还得另想办法。” 梁曲点了点头，开口问道：“还有一个方面呢？想来应该就是你所考虑的解决高能粒子损失问题，或者说聚变能量不够的问题的办法了吧？” 既然这位提出了问题，那么他肯定考虑过解决办法。 而他刚刚也说了，在工程难度和高能粒子损失问题上，他都有考虑，这会他更好奇这位是通过一种怎样的方式来解决高能粒子损失问题的。 永磁体仿星器的设计，在他看来真的是惊艳无比。 不算很大幅度的改动，既保留了原有仿星器无磁面撕裂效应的优势，又极大程度的削弱了工程难度，这构思，绝妙无比。 听到梁曲询问第二个方面，徐川笑着开口道：“第二个方面便是换一种聚变原料。” “换一种聚变原料？”梁曲疑惑的看了过来，眼神中带着一些不解。 徐川点了点头，开口道：“没错，更换一种聚变原料。” 顿了顿，他接着道：“我们选择可控核聚变原料的时候，一般都会选择氢的同位素来进行，因为质量轻的原子核之间的静电斥力最小，也最容易发生聚变反应。” “所以要实现核聚变的物质一般是首先选择氢的同位素氘和氚，破晓聚变装置使用就是这个。” “而氘氚核聚变的优点是反应条件最宽松，反应温度要求最低，但缺点是中子带来的材料劣化，以及高能中子带走了大部分的能量无法利用等问题。” “虽然对中子的重新利用可以用于完成氚自持，但高能中子带走的能量，绝大部分都浪费了。” “所以实际上它虽然释放出来的能量很多，但我们能利用的部分却很少。” “而且氘氚聚变装置还需要使用第一壁材料和外围防护材料来应对高能中子的冲击，进一步的增加了的聚变堆的体积。” “所以在氘氚聚变的基础上，我准备更换聚变的原料。” 闻言，梁曲认同的点了点头，开口说道：“这些的确都是氘氚聚变的缺点，不过更换一种聚变原料的话” 顿了顿，他接着道：“在之前，可控核聚变研究的主流领域除了氘氚聚变外，还有氘·氦三聚变、氦三·氦三聚变、氘氘聚变、氢硼聚变等几种方式。” “相对比氘氚聚变来说，这些聚变方式的难度都更高，各有各的优势和缺点，不知道你考虑的是哪一种？”