減少產(chǎn)物中子有望實現(xiàn)更清潔的核聚變？各核聚變公司正在進(jìn)行新嘗試
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根據(jù)聚變工業(yè)協(xié)會《全球核聚變行業(yè)報告》，“全球核聚變產(chǎn)業(yè)的投資已增加至 62.1 億美元。目前，全球經(jīng)營核聚變業(yè)務(wù)的公司約 43 家[1]。”
科學(xué)家們正在努力開發(fā)可控的核聚變技術(shù)，以實現(xiàn)未來可持續(xù)的大規(guī)模能源供應(yīng)。最近，一些核聚變商業(yè)公司試圖從無中子聚變或減少中子的方法推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。
要想了解無中子聚變，先要從它的作用說起。核聚變是一種核反應(yīng)，由兩個輕核聚合在一起形成更重的核。
在核聚變過程中，輕元素的原子核會融合成更重的元素，從而釋放出巨大的能量。
在核聚變反應(yīng)中，通常使用氫同位素氘和氚作為燃料。由于氘和氚是氫同位素，當(dāng)它們受到足夠高的溫度和壓力時，會發(fā)生聚變反應(yīng)。
與此同時，在核聚變過程中也會產(chǎn)生超通量的中子。中子在核聚變反應(yīng)中，發(fā)揮著提供能量和促進(jìn)連鎖反應(yīng)的作用。
值得注意的是，控制中子的釋放和捕獲對于實現(xiàn)可控核聚變非常關(guān)鍵。在實驗室和未來的聚變反應(yīng)堆中，需要有效地控制和調(diào)節(jié)中子的產(chǎn)生和釋放，以防止中子輻射破壞反應(yīng)堆壁，以及對基礎(chǔ)設(shè)施和附近的生物造成影響。
現(xiàn)在，領(lǐng)域內(nèi)的研究人員正在致力于解決中子的問題。他們的方法是將氘氚燃料換成自然界存在的核素，這些元素在融合時會釋放帶電粒子，而不是高能中子。
認(rèn)同無中子聚變方法的人們認(rèn)為，這些設(shè)備最終將更容易制造，并且更適合制造電力系統(tǒng)，因為更容易將帶電粒子的能量轉(zhuǎn)化為電能。此外，它們產(chǎn)生很少或者基本不產(chǎn)生放射性廢物。
核工程師、美國威斯康星大學(xué)名譽教授杰拉爾德?庫辛斯基（Gerald Kulcinski）對媒體表示：“從 20 世紀(jì) 60 年代到 80 年代，人們在先進(jìn)燃料方面做了很多研究?！?/span>
他說，由于該核反應(yīng)的誘發(fā)的難度約為氘-氚反應(yīng)的 10 倍，因此從 10 年前開始，這項研究不受歡迎了。
“考慮到中子對反應(yīng)堆壁造成的破壞因素，人們又開始更多地關(guān)注先進(jìn)燃料?！?/span>
TAE：氫-硼核聚變TAE Technologies 公司是一家位于美國加利福尼亞州的核聚變能源公司。它成立于 1998 年，目前已獲得 1400 多項專利和超過 12 億美元的投資。
截至目前，該公司已建成 5 個國家實驗室規(guī)模的裝置，并成功產(chǎn)生和約束聚變等離子體超過 14 萬次。
在 TAE 看來，將氫和硼（p-11B）作為反應(yīng)燃料不僅清潔，并具備成本優(yōu)勢。硼具有資源豐富、能源安全的特點。在氫-硼聚合反應(yīng)發(fā)生之后，會釋放出 3 個帶正電的氦-4 原子核，也被叫做 α 粒子。
圖丨TAE C-2W（來源：TAE Technologies）TAE 設(shè)計通過反場構(gòu)型的聚合裝置（Field Reversed Configuration，F(xiàn)RC）來限制等離子體，這種構(gòu)型能實現(xiàn)的反應(yīng)溫度非常高，在 FRC 中，等離子體主要被局限在內(nèi)部磁場，而不是依賴外部施加的磁場。
但是，也必須看到，F(xiàn)RC 在歷史上不被看好的聲音也一直存在。一旦等離子體操作不當(dāng)，破解了封閉的磁場，等離子體也會冷卻。
最近幾年，TAE 通過研發(fā)實時重塑和重新定位等離子體的方法和硬件，利用 AI 和機(jī)器學(xué)習(xí)，來探索實現(xiàn)等離子體穩(wěn)定的方法。
TAE Technologies 的 CEO 米希爾?本德鮑爾（Michl Binderbauer）對媒體表示：“現(xiàn)在我們可以操縱這些電流，并保持它們穩(wěn)定，它的行為與預(yù)測的完全一致?！?/span>
此外，將氫-硼作為核聚變?nèi)剂线€有另一個顯著的缺點，它所需要的條件是超過 30 億攝氏度的極端溫度。
需要了解的是，該溫度是氘-氚反應(yīng)所需溫度的 20 到 30 倍。很多物理學(xué)家認(rèn)為，在這樣的溫度條件下，電子輻射冷卻等離子體的速度將快于加熱等離子體的速度。
圖丨α 粒子探測器（來源：Nature Communications）2023 年 2 月，TAE 和日本國家聚變科學(xué)研究所的聯(lián)合團(tuán)隊，創(chuàng)新性地在磁約束聚變等離子體中成功進(jìn)行氫-硼聚變實驗，副產(chǎn)品僅為氦。
該研究證明了無中子聚變的可行性以及對氫硼的依賴，相關(guān)論文發(fā)表在 Nature Communications[2]。
這項實驗為我們提供了豐富的數(shù)據(jù)可供使用，并表明氫硼聚變反應(yīng)在大規(guī)模的聚變發(fā)電中占有一席之地。
我們可以解決當(dāng)前的物理挑戰(zhàn)，并為全球提供一種依賴這種非放射性、豐富的燃料的革命性的新型無碳能源?！北镜迈U爾對媒體說。
公開資料顯示，TAE 的目標(biāo)是在 2030 年代建立首座氫硼聚變發(fā)電廠并網(wǎng)。
TAE 正在通過 FRC 推進(jìn)一種模塊化、易于維護(hù)的設(shè)計，該設(shè)計將具有緊湊的占地面積，并有可能利用更高效的磁約束方法。與托卡馬克相比，這種方法的輸出功率有望提高 100 倍。
Helion Energy：使用氘和氦-3 為燃料Helion Energy 是位于美國華盛頓州的核聚變公司，他們使用氘和氦-3 作為燃料。氦-3 是一種氦氣同位素氣體，僅占地球可用氦的 0.0001%，并且生產(chǎn)成本極高。
月球表面的氦-3 大約有 110 萬噸，一種觀點認(rèn)為，人們最終有可能會在月球表面開采氦-3。但是，Helion Energy 儲備氦-3 的方法和月球無關(guān)，他們打算利用氘-氘反應(yīng)的副反應(yīng)。
氘和氦-3 聚變產(chǎn)生的帶電粒子，可以直接被重新捕獲為電能。這有助于保持 Helion Energy 系統(tǒng)的小巧、高效，使他們能夠以更低的成本、更快地構(gòu)建系統(tǒng)。
這種燃料循環(huán)還減少了中子排放，大大減少了氘氚聚變?nèi)剂涎芯咳藛T面臨的許多工程挑戰(zhàn)。
（來源：Helion Energy）截至目前，Helion Energy 生產(chǎn)氦-3 的量并不多。但是，他們已經(jīng)獲得高效封閉燃料循環(huán)專利，并試圖通過這種專利技術(shù)來提高氦-3 的產(chǎn)量。
由于不可忽視的高溫條件，庫辛斯基對媒體表示：“氘和氦-3 也許是對氘-氚和 p-11B 的暫時過渡?！?/span>
值得注意的是，氘和氦-3 反應(yīng)以快中子的形式釋放約 5% 的能量，它不完全是無中子反應(yīng)。也就是說，它們不能完全杜絕輻射的危害，只是使相關(guān)危害顯著降低。
Helion 的策略并非持續(xù)地產(chǎn)生反應(yīng)，而是通過設(shè)備以一次脈沖每秒發(fā)出的形式，在中心產(chǎn)生穩(wěn)定的 FRC，并用磁場壓縮等離子體，直到它的溫度和密度達(dá)到聚變。
當(dāng)聚變釋放能量時，促進(jìn)磁場被等離子體向外推動，核聚變系統(tǒng)通過磁線圈得到帶電能量。
一些其他的嘗試澳大利亞初創(chuàng)公司 HB11 Energy，旨在創(chuàng)造清潔、安全、可靠的新能源。該公司通過高功率激光器與磁約束相結(jié)合來融合氫和硼。
該方法利用啁啾脈沖放大激光器的超短脈沖（該技術(shù)獲得 2018 年諾貝爾物理學(xué)獎），來快速加速氫穿過俘獲磁場內(nèi)的硼燃料，在它們碰撞時產(chǎn)生核聚變。
Marvel Fusion 是一家德國核聚變能源初創(chuàng)公司，在 2019 年成立。該公司正在尋求在納米結(jié)構(gòu)目標(biāo)中使用高能激光和 p-11B 燃料進(jìn)行激光引發(fā)的慣性約束聚變。
最近，Marvel Fusion 和美國科羅拉多州立大學(xué)合作，在科羅拉多州柯林斯堡正建造世界上最強大的激光設(shè)施之一。
Princeton Fusion Systems 是一家專注于為陸地和太空應(yīng)用開發(fā)小型、清潔的聚變反應(yīng)堆的公司。
該公司的 FRC 反應(yīng)堆建立在普林斯頓等離子體物理實驗室超過 15 年的研究和經(jīng)驗基礎(chǔ)上，主要由美國能源部和美國國家航空航天局資助。
他們利用氘和氦-3，并使用射頻加熱形成 FRC 和進(jìn)行等離子體加熱。該公司通過超導(dǎo)磁體技術(shù)，為航天器生產(chǎn)移動和便攜式動力以及聚變推進(jìn)提供緊湊型系統(tǒng)。
圖丨普林斯頓場反場構(gòu)型 2 號（來源：Princeton Fusion Systems）另一方面，普林斯頓等離子體物理實驗室在 Journal of Fusion Energy 報道了普林斯頓場反場構(gòu)置（Princeton Field-Reversed Configuration，PFRC）核聚變反應(yīng)堆[3]。
這個概念是一種創(chuàng)新的聚變發(fā)電方法，優(yōu)先考慮降低中子產(chǎn)量和小尺寸。分析建模和數(shù)值模擬的結(jié)合表明，新穎的加熱方法能生成具有閉合場線的 FRC。
無論未來發(fā)展的結(jié)果如何，有或沒有中子的聚變，在全球努力解決氣候危機(jī)的今天，這無疑提供了一種新的可能性。
來源：深科技
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