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Posts from the ‘Fusion’ Category

8
Jan

“钢铁侠”真能造出来吗?

不靠天赋异禀的超能力,不靠飞来横祸的基因突变,钢铁侠Tony Stark仅凭科技的力量:一身炫酷的机甲就拯救了世界,赢得了无数粉丝。钢铁侠的一身机甲究竟距离现实有多远?其实,防御、武器系统是很常规的事情不必多说;智能对话系统Javis也已经有了现实版:Siri和Google Now;飞行推进系统也有现实中的对应版本:离子推力器;而唯有最核心最重要的能源系统,方舟反应堆(Arc Reactor),现实中从未有人真正实现过。方舟反应堆究竟是何物?现实中的人类距离实现有多遥远?

钢铁侠的方舟反应堆,不需要补充煤炭汽油等燃料,不需要放射性重金属也不需要光照,而且提供的能量密度高得惊人,这样的能源在世界上有且仅有一种:受控核聚变。聚变的原材料是氘和氚,如果技术发展的足够好那么只用氘也可以,而氘在自然界中极其丰富:水中就有足够的氘!因此我们可以推测,钢铁侠利用身体中的水作为原料,用小型离心机分离出氘,然后供给方舟反应堆用来聚变以获得能源的。

方舟反应堆的具体实现方式是什么呢?我们先看两张图:

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图1

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图2(来自 https://www.euro-fusion.org/2011/09/tokamak-principle-2

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23
Apr

受控核聚变的难点在哪里?

//本文是我在知乎上的回答《什么是可控核聚变?实现它的难点是什么?》。

宏观上来看,难点就是同时实现高温高密度和长约束时间(Lawson criterion)。因为自己是聚变方向的PhD,所以我想我可以谈一些比通常见到的科普更多的内容。下文主要针对托卡马克方案(即用磁场约束等离子体以实现聚变的方案),贴自我自己在知乎上对这个问题的回答。

第一方面的难点是物理理论上的。虽然等离子体的运动无非就是麦克斯韦方程组就可以完全描述的,连量子力学都用不到,但是因为包含的粒子数目多,就会遇到本质的困难,此所谓 “More is different”。正如在流体力学里,我们虽然知道基本方程就是Navier-Stokes方程,但是其产生的湍流现象却是物理上几百年来都攻不下来的大山。等离子体同样会产生等离子体湍流,因为有外磁场的存在甚至是比流体湍流更复杂一些。于是在物理上,我们就没有办法找到第一性原理出发找到一个简洁的模型去很好地预测等离子体行为。我们现在所能做的,很多时候就是像流体湍流的研究那样,构建一些更加偏唯像一点的模型,同时发展数值模拟的技术。

第二方面的难点是物理实验上的。即使没有第一性原理出发的理论,很多时候唯像模型也可以非常实用,比如说现在流体湍流的模型就可以在工程上很实用。但是等离子体实验的数据可并不像流体那么好获得。从理论上我们可以知道,托卡马克里的高温高密度等离子体会有非常多的不稳定性,如果伸进去一根探针进等离子体中心,那立刻就会激发起不稳定性于是整个等离子体就会分崩离析。基于这个原因,实验观测的手段就会很受限制。这也就是为什么我们不说“等离子体测量”一词,而是使用“等离子体诊断”,因为这的确就跟诊断病人的病情很像。

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18
Feb

人类首次实现能量增益大于1的受控核聚变

Nature于2014年2月12日发表的一篇文章《Fuel gain exceeding unity in an inertially confined fusion implosion》宣布NIF(美国国家点火装置)用惯性约束聚变的方法首次实现了受控核聚变能量增益大于1的实验,其意为聚变释放出的能量大于输入到靶丸的激光能量,实属受控核聚变道路上的一个重大里程碑!

作为聚变方向的PhD,真心为这个消息感到激动人心,同时想稍微科普一下其中的知识,让行业外的人也了解了解。

受控核聚变能源一直以来就是人类梦寐以求的终极能源。聚变能早在第一颗氢弹爆炸的时候就已经被人类所释放,然而氢弹的本质却决定了它无法作为可控的能源:氢弹爆炸的条件太苛刻,于是只能用原子弹来引爆,而原子弹想要爆炸,浓缩铀的质量就必须大于一个临界值,因此氢弹的爆炸是一定要一次性放出巨大能量的,破坏力实在太大,无法作为能源使用。因此,之后的几十年里,人们就一直在寻求让聚变能每次少量释放的途径。然而,聚变点火的条件是,温度、密度、约束时间这三个量的乘积需要大于一个数值(劳森判据),显而易见的一点是,温度密度越高就约难以约束,因此三者同时提高是一个极其困难的任务。

目前的主流解决方案有两种:磁约束和惯性约束。

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28
Aug

《蝙蝠侠3》漏洞:聚变堆能改造成核弹吗?【剧透慎入】

刚刚上映的电影《黑暗骑士崛起》(The Dark Knight Rises)是个相当精彩的电影,唯一美中不足的是,电影里居然有一个物理Bug,这在诺兰的电影中可是极其罕见的。作为一个物理专业聚变方向的学生,我不得不吐槽一下。。。

剧情回顾:清洁能源变身核武器

在电影中,Wayne企业为了未来能源制造了一个聚变反应堆。后来坏人抢走了这个聚变堆,并且威胁科学家把它改造成了一个核弹,以此为武器想要炸掉整个Gotham市。

编剧也许是受了《天使与魔鬼》的启发写出了这样一个情节。《天使与魔鬼》中的炸弹是反物质炸弹,反物质只要一与普通物质接触就一定会释放能量。一旦有恐怖分子故意地破实验装置,获取大量反物质并把它们约束在一个便携的容器里,这的确将变成一个恐怖的武器,并且基本没有办法销毁。

但是!聚变完全是另一回事,类似的事情是绝对不可能在聚变堆中发生的!即使在未来也同样如此!

什么是受控核聚变?

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