核聚变能的研究方法

历史上，人们采用了两种方法来利用核聚变发电。第一种是磁聚变能(MFE)，它创造了“磁瓶”，需要将等离子体保持一秒钟的时间(Chen, 1974;谢菲尔德,1994)。最著名的例子是托卡马克，一种环形几何。(环面是一个甜甜圈形状的配置，这是大多数磁聚变应用的首选，因为磁场线可以几乎无休止地环绕环面而不会拦截墙壁。等离子体离子和电子沿磁力线流动要比穿过磁力线容易得多，因此等离子体在环面中损失率降低。)第二种方法是惯性聚变能量(IFE)，目前使用强大的激光，将一个毫米大小的聚变燃料胶囊压缩到发生核聚变所需的高密度和温度(Hogan, 1995)。对于IFE，约束时间是胶囊自爆的时间，单位是纳秒(10~9秒):因此被称为“惯性”聚变。这些方法在科学发展的大致相似的阶段:磁聚变已经证明，在JET(联合欧洲环面)托卡马克(Watkins, 1999)中，注入等离子体的加热能量可以产生高达60%的聚变能量。日本的JT-60托卡马克已经证明了更好的限制，但没有使用氘-氚燃料，导致核聚变能量的产生要少得多(Ishida, 1999)。 The inertial fusion program is constructing the NIF, National Ignition Facility, with a goal of demonstrating ignition and energy gain of ten near 2100 (Kilkenny et al., 1999). Ignition means that the 3.5 MeV alpha particles from fusion reactions deposit enough energy in nearby fuel to heat it to fusion energies, analogous to heating a log so that it ignites and burns. Energy gain is the ratio of fusion energy out to energy in.

一般的融合电厂图8.1(a)包括一个中央反应室(堆芯)，周围环绕着约1米厚的包层，包层中含有锂。覆盖层有两个功能:通过中子与锂的相互作用产生氚燃料，以及保护周围结构不受中子轰击。穿透毛毯必须

图8.1 (a)带包层/屏蔽层的通用熔核。(b)环形融合装置。由加州大学劳伦斯利弗莫尔国家实验室和能源部提供，这项工作是在能源部的主持下进行的。

为MFE或IFE注入燃料和能量。如图所示，这些可能来自一侧，但更普遍的是来自相反的两侧，甚至均匀分布在周围。外层是用于磁聚变的超导磁体，以及用于惯性聚变的束流线。图8.1(a)中的发电厂可以是球形或圆柱形。研究的另一个主要几何图形是图8.1(b)所示的环面。

8.3.1磁聚变能

在过去的四十年中，人们研究了磁聚变的许多概念，在过去的二十年中，托卡马克受到了强烈的重视。托卡马克由外部施加的环形磁场Bt和环形等离子体电流组成，以产生极向磁场Bp，图8.1(b)。变压器驱动几乎所有托卡马克的等离子体电流，辅助电流由射频波或许多托卡马克上的中性原子束驱动。外加磁场为等离子体位置控制和整形提供垂直场，并可以提供偏流器几何形状，其中最外层的磁场线撞击偏流板，以去除边缘等离子体中的杂质。在过去十年中，托卡马克的创新极大地提高了它们限制等离子体的能力。ARIES-RS(图8.2)将这些创新应用于改进电厂核心(Najmabadi, 1998)。

托卡马克一直拒绝被认为过于庞大和复杂，并且已经达到了可以建造燃烧等离子体实验的性能水平。(在燃烧的等离子体中，α粒子中的聚变能量以超过外部加热功率的速度加热等离子体。)正在考虑的潜在实验包括短

图8.2 ARIES-RS托卡马克发电厂。加州大学圣地亚哥分校Farrokh Najmabadi提供。

脉冲(几秒)机器与普通导电磁体和长脉冲(数千秒)机器与超导磁体。前者的一个例子是FIRE(聚变点火研究实验)(PPPL, 2000)，其价格标签约为10 - 15亿美元。后一种类型的机器是ITER(国际热核实验反应堆)(Shimomura, 1999)的例子，国际聚变社区正在研究。ITER将是一个完整的工程测试反应堆，能够测试工程组件，因此，根据性能要求，其价格标签为- 50 - 100亿美元。这样的等离子体燃烧实验将使发电厂剩余的许多物理问题得以研究。然而，目前缺乏低活化材料阻碍了传统托卡马克成为具有环保吸引力的发电厂。因此，目前，它应该被视为一个物理和技术实验，而不是一个发电厂的原型。

趋星器是一个环形磁结构，其中所有的约束磁场都是由外部线圈施加的。与托卡马克相比，它的优点是不需要电流驱动，而且不会中断(在中断中，电流会中断)

图8.3 Spheromak配置具有更简单的几何结构，与环形毯的设备相比，更适合液体壁。由加州大学劳伦斯利弗莫尔国家实验室和能源部提供，这项工作是在能源部的主持下进行的。

等离子体电流在几十毫秒内衰减，比平常快得多，并对壁面施加很大的力)。寻星器线圈更加复杂;但是，在模块化类型中，薯片形线圈的多个版本不会被其他线圈困住或连接，因此可以更容易地拆卸维护。作为一个发电厂，它拥有托卡马克的大部分其他特征，并有望产生类似的电力成本。

其他磁结构被描述为自组织，因为产生磁场的电流更多是由等离子体本身携带的(Riordan, 1999)。例如，球马克具有环向和极向电流，分别产生极向和环向磁场。当球形等离子体被放置在带有导电壁的罐子中以携带图像电流时，将会持续一段时间。图8.3所示的锅毯式球形马克非常简单，但使用了金属壁将液体与等离子体隔开;这堵墙将限制功率密度，并将被中子破坏和激活。在其他概念中，旋转的液体是对抗等离子体的。另一种磁结构是磁场反向结构(FRC)。

它只产生等离子体电流的极向场，并且沉浸在轴向磁场中。

我们刚刚根据外部线圈电流和等离子体电流产生磁场的程度对磁瓶进行了分类。另一个有用的分类标准是腔室的拓扑结构:圆柱体、球体或环面;而如果是后者，则结构量要求在中心孔的环形几何上。这种结构大大增加了核电站核聚变堆芯的最小尺寸，因为它通常包括超导磁体绕组，必须屏蔽14兆电子伏的中子。中子屏蔽约1米厚，如图8.1所示，以降低4 K的制冷要求，并减少中子损伤，从而延长绕组的寿命。因此，中心孔的最小直径必须在2米左右，而小的、高功率密度的聚变芯不可能具有这样的几何形状。

一些环形概念，如球形托卡马克，通过在中心腿上使用无屏蔽的室温磁铁线圈来避免这种限制。这使得中心腿的直径远小于一米。在确定球形托卡马克的吸引力时，人们需要评估驱动中心腿电流的循环功率的影响，以及定期更换激活的中心导体的经济和环境后果。

我们现在使用这些分类来进一步讨论两个可能有吸引力的限制配置的例子。更紧凑的结构，如球形马克或FRC，如果能够实现足够的限制，将提供更低成本的发展路径，更低的电力成本和更小的活性材料体积。对于这门课，我们目前关于约束性质的知识是贫乏的。今天的核聚变项目正在建立小型实验，以测试这些概念是否具有更好的发电厂潜力，以确定它们是否能够充分地限制等离子体。这扩大了过去15年只发展托卡马克的政策，因为托卡马克具有最好的限制条件，也得到了最好的理解，因此可以自信地预测它在发电厂规模上的限制条件和性能。

反向磁场挤压(RFP)在很大程度上也是自组织的，但需要在甜甜圈孔内进行磁铁绕组。因此，它需要一个更大的聚变核心，看起来更像托卡马克，只是施加了一个更低的环形磁场。尽管rfp作为发电厂的潜力可能较小，但它们已被证明在增加我们对这些自组织配置的物理理解方面非常有效(Prager, 1999)。

球形马克和FRC是最可能与厚液壁兼容的MFE构型;因为它们更简单的边界形状使得液体壁的形成不那么困难，而且它们的高等离子体密度更有可能承受液体的高蒸汽压。与许多结构一样，球体从对壁面的等离子体压力中获得稳定性;液体壁是否太容易被等离子体推到一边还有待确定。即使稳态解不存在，如果脉冲配置的重复频率足够高，以尽量减少操作的液体中的热循环，则脉冲配置可能是有吸引力的蒸汽循环(Fowler等人，1999)。

磁聚变的极端脉冲极限是磁化靶聚变，MTF (Drake et al.， 1996)，它适合MFE和IFE之间一个很大程度上未被探索的小空间。MTF利用磁场来降低电子热传导，从而使等离子体密度比IFE低几个数量级，但等离子体密度和磁场施加的压力太大，无法在稳态设备中受到限制。因此，每次拍摄都必须更换一些结构。容纳等离子体的结构很小，相对便宜，允许在一个设施中评估多个限制几何。点火的发展路径可能是所有聚变概念中最便宜的。建造发电厂的路径还不太清楚，但可能包括可更换的冷冻液体和/或紧密耦合的液体壁结构，聚变产生超过十亿焦耳，重复速率低于每秒一次，以便有时间重新加载。

8.3.2惯性聚变能

惯性聚变(Hogan, 1995)需要在短时间内(小于10纳秒——光传播3米或10英尺的时间)将能量沉积在毫米大小的胶囊的外部。太空舱的外部以高速爆炸，导致太空舱的其余部分向内喷射。这就把燃料压缩到很高的位置密度和温度，其目标是达到足够高的值来点燃聚变燃烧。

惯性聚变的特点是直接驱动或间接驱动，图8.4。对于直接驱动，压缩聚变燃料胶囊的能量直接入射到胶囊的外部。用激光进行的实验已经证明，为了使整个火箭表面以相同的速度向内发射，能量必须在胶囊表面极其均匀，这是胶囊在压缩过程中保持球形的必要条件。来自非均匀照明的速度变化驱动了大振幅波，即表面上所谓的瑞利-泰勒不稳定性。这种波阻止了胶囊被压缩成一个半径为获得聚变能量所需半径的10-30倍的球体。

图8.4直接驱动能量直接入射到胶囊外部。间接驱动能量沉积在空腔壁上，该空腔加热并发射x射线照射胶囊。两者都可以由激光或离子束驱动。由加州大学劳伦斯利弗莫尔国家实验室和能源部提供，这项工作是在能源部的主持下进行的。

图8.4直接驱动能量直接入射到胶囊外部。间接驱动能量沉积在空腔壁上，该空腔加热并发射x射线照射胶囊。两者都可以由激光或离子束驱动。由加州大学劳伦斯利弗莫尔国家实验室和能源部提供，这项工作是在能源部的主持下进行的。

对于间接驱动，图8.4，能量沉积在一个罐子或空腔(德语为“辐射室”)的内部，其中包含胶囊。这种能量会产生几百电子伏特(几百万开尔文)能量的软x射线，这些x射线从罐子的壁上反射出来，均匀地照亮胶囊。这与间接照明类似，间接照明产生相对均匀的漫射照明，而直接照明效率更高，但产生的对比度更高。直接驱动同样更有效，因为在加热空腔内部时不消耗能量。间接驱动更适合液体壁聚变室的设计，因为光束可以从一个或两个方向聚集进来，而不是均匀地分布在球形聚变室的表面。

惯性聚变也根据它使用的驱动程序类型进行分类。迄今为止的实验都使用了激光;其中大多数是闪光灯泵浦固体激光器，具有低的电效率(10~3级到10~2级)和低的重复频率~ 10次/天。一些实验也使用了z-pinch辐射源或光离子。其他驱动程序正在开发中。DPSSLs(二极管泵浦固体激光器)的效率应该接近10%，重复频率为10hz。电子束抽运气体激光器，如KrF(氪

图8.5 HYLIFE-II重离子驱动惯性核聚变电站。工厂布局显示驱动器，目标和室。采用液体射流保护熔合室具有寿命长、成本低、环境影响小等优点。由加州大学劳伦斯利弗莫尔国家实验室和能源部提供，这项工作是在能源部的主持下进行的。

图8.5 HYLIFE-II重离子驱动惯性核聚变电站。工厂布局显示驱动器，目标和室。采用液体射流保护熔合室具有寿命长、成本低、环境影响小等优点。由加州大学劳伦斯利弗莫尔国家实验室和能源部提供，这项工作是在能源部的主持下进行的。

氟)，几乎有同样高的效率。基于对高能和核物理设施的丰富经验，重离子加速器是具有吸引力的惯性聚变能源驱动候选者。他们承诺高效率，高重复率，长寿命和磁性最终光学聚焦光束到目标上(Bangerter, 1999)。与激光需要的反射镜或透镜相比，磁光学相对不受目标爆炸的影响，因为中子、x射线和碎片可以通过磁铁的孔径，而磁铁线圈是屏蔽的。对于加速器和聚焦系统来说，重离子聚变所需的高束流是一个新的和具有挑战性的元素。已经为激光和离子驱动器开发了目标设计，如图8.4所示，用2-D代码预测其对发电厂具有合理的增益(接近100)。

重离子驱动的惯性聚变发电厂如图8.5所示。它的特点是模块化，其中驱动器、腔室、靶材制造设备和靶材注入器都是分开的。由Flibe射流组成的腔内厚液壁包围了反应区，并保护固体腔壁免受中子和激波的伤害。

IFE在两个方面提供了MFE托卡马克的范式转变。首先，它将其大部分复杂性放在与融合室分离的驱动程序中，而MFE将其大部分复杂性直接集成在融合室周围。这为IFE提供了潜在的优势:(a)通过允许分离室和驱动模块独立升级来降低开发成本，(b)通过向公用事业提供更高的可用性来降低运营成本。更高的可用性是可能的，因为熔合室内的复杂性被最小化，并且对中子屏蔽外系统的修复可以更快地完成，在某些情况下，甚至在驱动器继续工作时(Moir et al.， 1996)。其次，间接驱动的IFE(重离子，或者可能是激光)为面向目标的可再生液体冷却剂提供了终身聚变室的潜力，而不是可能被热和辐射破坏的固体真空密封壁。在这样的保护下，所有的舱室结构材料都将是寿命部件。它们的残余放射性很小，这意味着在核聚变电站寿命结束时，大多数材料都可以回收，而不需要深入地下处理。

然而，传统托卡马克的大部分技术和工程能力接近发电厂所需的水平。但对于IFE和MFE的替代概念来说，情况并非如此，因为目前的实验与发电厂技术相差甚远。这里提出的哲学的一个结果是，在寻找更有吸引力的聚变概念时，我们将聚变能推向了更远的未来。我们相信，更遥远的未来总比永远不做要好。“绝不”可能是试图建造不向公众出售的发电厂的结果。

快速点火器是一个可以显著降低驾驶员能量的概念(Tabak et al.， 1994)。在传统的IFE中，胶囊被高度压缩加热，在中心点火，图8.6a。用快速点火器，胶囊被压缩到中等密度，但温度低。然后，它的一部分被加热，通过一个非常短的能量脉冲点火，持续时间以皮秒(百万分之一秒)为单位。热点加热周围区域，聚变燃烧通过燃料传播，图8.6b。这一概念可以使增益(输出的聚变能量与输入的驱动能量之比)比传统的IFE高出5到10倍。放宽压缩比可以降低能耗，从而降低驱动器的成本，从而降低电力成本(COE)。然而，首先必须克服几个困难:驾驶员必须在胶囊周围的等离子体上钻一个洞，然后将快速点火脉冲通过这个洞并聚焦到

图8.6使用“快速点火”概念的惯性约束聚变目标，显示激光或重离子驱动光束(箭头)和快速点火激光从左侧聚焦在目标上。照明几何图形是(a)直接驱动对称照明和(b)间接驱动，从一端照明。在(a)中，点火激光必须在加热目标之前穿透覆盖的等离子电晕。在(b)在空腔内使用锥聚焦时，等离子体吹散被排除在点火器激光路径之外，驱动器激光可以集中在腔室的一端。由加州大学劳伦斯利弗莫尔国家实验室和能源部提供，这项工作是在能源部的主持下进行的。

图8.6使用“快速点火”概念的惯性约束聚变目标，显示激光或重离子驱动光束(箭头)和快速点火激光从左侧聚焦在目标上。照明几何图形是(a)直接驱动对称照明和(b)间接驱动，从一端照明。在(a)中，点火激光必须在加热目标之前穿透覆盖的等离子电晕。在(b)在空腔内使用锥聚焦时，等离子体吹散被排除在点火器激光路径之外，驱动器激光可以集中在腔室的一端。由加州大学劳伦斯利弗莫尔国家实验室和能源部提供，这项工作是在能源部的主持下进行的。

一个非常小的尺寸，在精确的时间，公差小于100皮秒(100 X 10~12秒)。

IFE中的快速点火器和提到的几个新的MFE概念都是创新的例子，这些创新可能会显著提高聚变发电厂的吸引力并降低电力成本。即使核聚变项目已经进行了近50年，新的想法仍在不断出现;旧的，以前被否决的想法在新技术的帮助下变得有吸引力。

下个世纪初，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的NIF(国家点火设施)和法国(基尔肯尼)的激光兆焦耳(LMJ)设施的建成和运行将大大推进对惯性约束聚变的科学理解。NIF很可能是第一个实现聚变点火的实验室设备——当它的剩余问题，目前实现点火的成本和时间表，得到解决(Malakoff和Lawler, 1999)。尽管NIF和LMJ的主要任务都与国防有关，但一个重要的附带好处是表明惯性聚变能源是可行的。为了充分利用这一示范，需要同时努力为IFE开发合适的、具有成本效益的驱动器和舱室。

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