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April 23, 2014

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受控核聚变的难点在哪里?

作者: physixfan

//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。

基于以上两点物理上的原因,可以说我们没能很好地理解托卡马克里等离子体的运动,因此对装置的设计就没有那么给力,只能慢慢发展慢慢改进...实际的历史进程就是,实验上发现一种不稳定性,然后理论在之后的几年里争取理解它,然后想办法改进设计去抑制这个不稳定性。但是抑制了之后,约束改进了,又会在实验上发现更小时空尺度上的不稳定性,于是再理论去理解,再改进设计,循环往复...我们的确是在不断进步的,只是需要时间。

第三方面的难点是工程上的。从理论上我们现在知道,如果想要达到聚变的点火条件,那么在工程上我们需要在足够大的体积内产生足够强的磁场(约为10T)。而现在人类能实现的最大稳定磁场大概也就是10T那样一个量级了(我一直在想如果人类能做到比现在大十倍的磁场的话,可能我们早就用上聚变能了...)。产生这么大的磁场的电磁铁,一定是需要巨大的电流的,而巨大的电流就会发热,发热了之后就会把材料自己烧掉...所以现在正在建的最大的托卡马克工程ITER就是采用的超导线圈的方式,这的确是解决了发热问题,但是线圈想要维持超导,就需要极低温,通液氦浸泡。所以你可以想想这样一副场景么:在一个房间里,内部温度是一亿摄氏度的超高温,墙壁温度是几开尔文的超低温...工程上的实现难度可想而知。

最后一方面的难点...是经济上的...做那么大的超导电磁铁,得花多少钱哪。。。于是现在最大的托卡马克工程ITER就根本不是一个国家在做了,而是7个国家一起出钱合作的,目前老是超预算(一超就是上billion美元的),于是不断延期。。。美国这边,因为投钱去了ITER,不光已经没有预算在本土建新的托卡马克了,就连老的也开始关门大吉了一些...我们这苦命的专业啊...

不过我对聚变的看法还是积极的。虽然现在美国没钱了,但是似乎中国还是既有钱又有激情来做聚变的。小道消息称中国在近期将要自己做一个本来计划在ITER之后建的DEMO装置,中国人民勤劳能干,很有可能比ITER先完成。按照经验规律,如果按照他们说的指标建起来的话,实现点火应该是没问题的。我们就这样一点一点制造更大的装置,发现新的问题,理解新的物理现象,再改进装置的设计,聚变能的到来并不是天方夜谭!

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4 Comments Post a comment
  1. Apr 23 2014

    沙发吗

    Reply
  2. Apr 24 2014

    国内要做的是重复美国LLNL的NIF,没听到有计划做托卡马克

    Reply
  3. 喝水小熊
    Apr 29 2014

    赞!

    Reply
  4. zhouleyu
    Apr 30 2014

    沙发吗

    Reply

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