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晶格约束聚变-NASA核聚变能源的新捷径
2022-03-03 09:52:25   来源:冷聚变世界   评论:0 点击:

本文原文发表在2022年2月27日的IEEE SPECTRUM杂志上,冷聚变世界将其翻译成中文

 

  一个多世纪前,物理学家首次对太阳内部的聚变理论提出质疑。之后,研究人员揭开了恒星内部轻元素(氢)聚转变成重元素(氦)释放能量的秘密。科学家和工程师对太阳的聚变过程进行了很长一段研究,希望有一天能用来发热和发电,但是前景非常渺茫。

  相比从核裂变中提取能量的进展就快得多,铀裂变在1938年被德国人发现,到芝加哥建造第一个核反应堆仅用了四年时间。

  目前全球约有440座裂变反应堆,产生约为400吉瓦零碳排放能量。尽管这些裂变电厂生产了大量电力,但也存在大量问题。首先是必须保证浓缩燃料铀的安全,其次是可能发生毁灭性的事故,比如日本福岛核事故,核泄漏造成了大面积无人区。此外,裂变的副产品需要安全处置,它们在数千年内仍具有放射性。因此,政府、大学和商业公司长期以来一直在寻求聚变反应来解决这些弊病。

  美国国家航空航天局(NASA)尤其对聚变能感兴趣,他们的深空探索有巨大的能源需求,包括深空探测器,载人登月以及火星任务等。 60多年来,光伏电池、燃料电池或放射性同位素热电池(RTG) 为航天器提供电力。RTG使用钚238衰变产生的热量,它寿命极长,两个航海家号探测器都使用这种电池,他们发射后近45年仍在运行。RTG只能将大约 7.5%的热能转化为电能,现代航天器需要的功率超过一般尺寸RTG所能提供的功率。

  最有希望的替代方案是晶格约束聚变 (LCF),晶格约束聚变指的是燃料在金属晶格中发生聚变。由于高电子密度导电金属降低了两个轻原子核靠近时相互排斥的可能性,晶格约束可以激发带正电原子发生聚变。

如2018年6月20日实验样品所示,实验前排列的小瓶内装有氘代铒(化学符号 ErD3),瓶内塞上布使金属保持在底部。当金属快被压裂,表示已经装满。(NASA)

将小瓶倒置以使金属和伽马射线束对齐,伽马射线将透明玻璃变成琥珀色。(NASA)

  我们和位于克利夫兰的美国宇航局格伦研究中心的科学家和工程师正在研究这种方法是否有朝一日能够为火星表面的小型机器人探测器提供能量。 LCF 将消除对易裂变材料(如浓缩铀)的需求,这些材料成本高昂且难以安全处理。 LCF 有望比其他核聚变便宜、更小且更安全。 随着技术的成熟,它的用途会逐渐扩大,比如为独栋建筑物提供电力,这将减少我们对化石燃料地依赖并提高电网弹性。

  长期以来,物理学家一直认为聚变是一种清洁的核能,毕竟太阳以这种方式产生能量。 但太阳具有巨大的尺寸优势,他的直径近140万公里,其中心等离子的密度是液态水的150倍,其温度高达1500万摄氏度,热和引力将粒子聚集在一起使其持续聚变燃烧。

  地球上缺少产生聚变的条件,聚变反应堆需要达到足够的粒子密度、约束时间和临界等离子体温度(被称为劳森标准)实现净正能量输出,到目前为止没有人做到。


点燃聚变火焰

  晶格约束聚变 (LCF)采用伽马射线轰击氘饱和地铒(如图所示)或钛样品,有时候伽马射线会使金属晶格中的氘核分解成质子和中子。

  分裂的中子会与晶格中的氘核碰撞,将一些动量传递给氘核。 通常情况下氘核彼此之间会相会排斥,而电子屏蔽的氘核有足够的能量克服库仑势垒。
氘-氘核聚变剥裂反应和奥本海默-菲利浦斯反应

  当高能氘核与晶格中的一个氘核聚变时产生氦3(氦)并释放出能量,剩余中子也可以为其它位置的高能氘核提供势能。
 

  另外一种情况是两个氘核聚变产生一个氢 3 (氚核)和一个质子,反应产生有用能量。

  如果铒原子能剥离高能氘核吸收其质子,则晶格约束聚变中可能发生另一种反应,即多余质子将铒原子转变成铥并释放出能量。

  铒原子吸收中子后会变成铒的新同位素,这被称为奥本海默-菲利普斯 (OP) 剥离反应,氘原子被剥离后产生的质子会加热晶格。

  聚变反应堆通常使用氘(一个质子和一个中子)和氚(一个质子和两个中子)两种不同的氢同位素,它们会聚变成氦原子核(两个质子和两个中子)并产生一个未结合的中子,氦原子也被称为α粒子。

  现有聚变反应堆依靠产生的阿尔法粒子和其产生过程中释放的能量来进一步加热等离子体。 加热后的等离子体将导致更多的核反应发生,最终提供净功率增益。但这也有一定限制,阿尔法粒子即使在最热地等离子体中多数情况下会跳过氘核,不会发生撞击产生大量能量。为了成功引发核聚变反应,需要在α粒子和氘核之间产生尽可能多的直接撞击。

  上世纪50年代,科学家们建造了各种磁约束聚变装置,最著名的是安德烈·萨哈罗夫的托卡马克和莱曼·斯皮策的仿星器。 撇开设计细节上的差异不谈,每种尝试都是几乎不可完成的事情。科学家们将气体加热使其变成等离子体,然后对其进行磁约束挤压点燃聚变,这样等离子体就无法逃逸。

  上世纪70年代出现的惯性约束聚变装置使用激光和离子束直接瞄准压缩内爆目标表面,或间接为内部目标容器内爆激发提供能量。与持续数秒甚至数分钟(甚至可能无限期地持续一天)的磁约束反应不同,惯性约束聚变反应在目标分解前持续不到一微秒就结束了。

  这两种类型的设备都可以产生聚变,但到目前为止它们还无法产生足够的能量来抵消启动和维持核反应所需的能量。换句话说,输入的能量多于输出的能量。将磁约束和惯性约束混合也面临同样的问题。

  聚变反应中的物质

质子:带正电的质子(连同中子)构成原子核。 在氘核剥离反应中,晶格约束聚变 (LCF)其中一步可能就是质子被铒原子吸收。


  中子:带中性电荷的中子(连同质子)构成原子核。 在聚变反应中,它们将能量传递给其他粒子,比如氘核,它们也可以被奥本海默-菲利普斯反应吸收。

  铒和钛:铒和钛是 LCF 的首选金属,和其他粒子相比它们相对较大,它们能够约束住氘核并使他们相互分开。

  氘:氘是有一个质子和一个中子的氢元素(只有一个质子的氢是氕),氘核对 LCF 至关重要。

  氘核:氘原子的原子核,它对LCF至关重要,实际上,一个高能氘核撞击晶格中的另一个氘核时会发生聚变反应,氘核也可以在剥离反应中发生分裂。

  氢3(氚):氘-氘核聚变可能产生氚以及一个多余的质子,氚原子核有一个质子和两个中子组成。

  氦3:氘-氘核聚变可能产生氚以及一个多余的中子, 氦-3原子核中有两个质子和一个中子。

  阿尔法粒子:两个质子和两个中子组成的氦原子核被称为阿尔法粒子,阿尔法粒子是典型聚变反应的产物,氘和氚粒子聚变生成阿尔法粒子,阿尔法粒子也出现在LCF 反应中。

  伽马射线:高能光子被用于分解氘核来引发金属晶格中的聚变反应。

  热核聚变反应堆中的燃料混合物也需要大量氚,氚来源于核裂变反应,这违背了使用聚变的初衷。

  这些技术的基本问题是反应堆中的原子核需要足够高的能量即足够热来克服库仑势垒,主要是由带正电的原子核相互排斥造成的。由于库仑势垒,原子核聚变的反应截面非常小,两个粒子聚变的概率很低。我们可以通过将等离子体温度提高到1亿摄氏度来增加横截面,但约束等离子体的难度就越高。目前热核聚变经过数十亿美元和数十年的研究,仍然需要很长时间才能获得成功。
 

  在地球上实现热核聚变的障碍确实是巨大的,托克马克和仿星器是如此的巨大,几乎不可能安装在航天器上。裂变反应堆被认为是一种替代方案。2018 年,美国宇航局在内华达州国家安全中心成功地测试了Kilopower 裂变反应堆,Kilopower裂变反应堆使用的铀235燃料芯大约有纸巾卷那么大。 Kilopower 反应堆可产生高达10千瓦的电力,缺点是它需要高浓缩铀,这会带来发射安全和安保问题,另外这种燃料也很贵。

  虽然传统的热聚变方法是行不通的,但聚变依然是可行的。 LCF 技术足够紧凑、足够轻且足够简单,它可以为航天器服务。

  LCF是如何工作的?我们之前提到过的氘同位素原子核中有一个质子和一个中子。实验中,氘化铒和氘化钛中的钛和铒原子和剥离电子的氘核形成饱态是可能的,因为在金属原子自然形成规则晶格结构中,会为氘核与金属原子间规则“凹槽”内创造一个约束空间。

  托卡马克或仿星器中的热等离子体密度只能达到每立方厘米1014个氘核。惯性约束聚变装置可以瞬间达到每立方厘米1026氘核。事实表明,像铒这样的金属所容纳的氘核可以达到每立方厘米1023,远远高于磁约束装置所能达到氘密度,只比惯性约束装置所能达到的密度低三个数量级。关键是这些金属可以在室温下容纳这么多离子。

  饱和的浸氘金属形成带中性电荷的等离子体。金属晶格对氘核禁锢和对核外电子进行屏蔽,使相邻的氘核彼此不能“看到” (它们都是带正电)。这种屏蔽增加直接命中的机会,从而促进了聚变反应。如果没有电子屏蔽,两个氘核就更有可能互相排斥。

  利用屏蔽高密度冷氘等离子体的金属晶格,我们可以采用地那米电子束加速器启动聚变过程。电子束轰击钽靶产生伽马射线对装有氘化钛或氘化铒的小瓶进行照射。

  首先当一束大约2.2兆电子伏(MeV)的伽马射线照射金属晶格中一个氘核时,氘核分裂成质子和中子,其释放出的中子可能会与另一个氘核相撞,这就像撞球杆给球加速一样。其次高能氘核会经历屏蔽聚变或剥离反应。

  在我们观察到的屏蔽聚变实验中,高能氘核与晶格中的另一个氘核发生聚变,聚变反应会产生一个氦3核和一个中子,或者一个氢3核和一个质子。这些聚变产物可能与其他氘核聚合,产生一个α粒子或与一个氦3或氢3核。每一次这样的核反应都会释放能量,产生的能量有助于促进更多的聚变反应。

  在剥离反应中,实验中的钛或铒等原子从氘核中剥离质子或中子并将其捕获。铒、钛和其他较重的原子优先吸收中子,质子被带正电的原子核排斥(奥本海默-菲利普斯反应)。尽管我们还没有观察到,但理论上电子屏蔽可能会捕获质子将铒转化为铥或钛转化为钒,两种剥离反应都会产生有用的能量。

  目前来看,所谓的“热聚变”经过数十亿美元投资和数十年的研究还有很长的路要走。

  为了确定我们确实在氘化铒和氘化钛的小瓶中产生了聚变,我们使用了中子光谱,这种技术可以探测到核聚变反应产生的中子。氘-氘聚变产生一个氦-3原子核和一个中子时,其中子的能量是2.45 MeV。所以当我们探测到2.45兆电子伏的中子时,我们就知道核聚变已经发生了。我们在《物理评论C》上发表了初步研究结果。

  电子屏蔽似乎使氘核在1100万摄氏度下发生聚变。实际上金属晶格聚变的温度比这要低得多,当氘核聚变时金属晶格的温度比室温升高了一些。

工程师 Rich Martin [左] 和合作者 Bruce Steinetz(LCF项目前期项目的负责人)在运行后检查样品。(NASA)

  总之,LCF反应中大部分加热发生在直径仅为几十微米的区域,这比磁约束或惯性约束聚变反应堆效率高得多,后者将整个燃料加热到非常高的温度。虽然LCF不是冷聚变,但它仍然需要高能氘核,需要使用中子加热。此外LCF 也消除了许多其他聚变方案成功的技术和工程障碍。

  虽然我们所使用的中子反冲技术是将能量转移到冷氘核中最有效的方法,但地那米加速器产生的中子需要大量能量。也有其他低能产生中子的方法,包括使用同位素中子源如镅-铍或锎-252来引发反应。我们还需要使反应实现自持,可以使用中子反射器将中子反弹回晶格,碳和铍是常见的中子反射器。另一种方案是将聚变中子源与裂变燃料结合,充分利用两者的优势。 无论如何,提高晶格约束核反应效率需要更多的开发流程。

  我们还通过将氘气泵入薄壁的钯银合金管以及通过电解加氘来引发核反应,我们在后一个实验中检测到了快中子。 我们使用上面提到中子光谱检测方法来检测现在电解装置产生的中子能量,得到的能量测量结果将告诉我们产生核反应类型。

  不仅仅是我们在为此努力,加州劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员在谷歌研究中心的资助下,利用类似的电子屏蔽聚变装置取得了良好的结果。位于马里兰州的美国海军水面作战中心(NSWC)印第安霍德分部的研究人员采用电化学方法进行LCF实验并取得了初步积极的成果。还有一些即将召开的会议,如5月份在克利夫兰举行的美国核学会(American Nuclear Society)的核能与新兴太空技术会议(Nuclear and Emerging Technologies for Space),以及7月在加州山景城(Mountain View)举行的以固态能源为重点的国际冷聚变会议(International conference on Cold Fusion)。
LCF(晶格约束聚变)的任何实际应用都需要有效自持的反应,我们的工作只是实现这一目标的第一步。如果反应速率能够显著提高,LCF(晶格约束聚变)可能会为产生清洁核能打开一扇全新的大门,它不仅能满足太空任务,也能满足地球上多数人需求。


 
 

冷聚变世界
2022年3月3日
 

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