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First Light提出新颖的“弹射聚变”方法 灵感竟来自于皮皮虾

2022-04-06 17:15 · 稿源: cnbeta

牛津孵化的 First Light ,刚刚演示了全球首例高超音速“弹射聚变”(projectile fusion)技术。该公司致力于提供最快速简便的商业聚变能源,并且正在庆祝一项重大突破。与基于重核裂变的传统核电站不同,聚变反应堆能够像太阳那样释放出能量。

借高速弹射撞击专门设计的坠落目标,其中嵌入燃料芯块。

目前大多数大型托卡马克装置和基于仿星器的聚变项目,都打算通过磁约束等离子体来达成比太阳核心更高的温度,以期原子核的移动速度能够快到克服两者之间的强大排斥力。

其它途径包括澳大利亚的 HB11,其采用了更具针对性的方法,借助超强激光以极快的速度加速氢原子,以让硼燃料芯块产生带正电的氦原子并利用这部分能量。

多个空腔在被高超音速弹丸击中时坍塌,利用其汇聚产生的冲击波以构成聚变压力和温度条件。

不过 First Light Fusion 选择了截然不同的技术路线,无需昂贵、强大的激光器或磁铁。与 HB11类似,它需要极高的速度 —— 以轨道炮向目标坠落的方式来弹射。

特制的弹射过程可产生微调的坍塌冲击波,瞬时压力较海平面大气压力高出近10亿倍,可使嵌入的小型氘燃料芯块以足够高的速度自行内爆,从而克服核排斥并开启聚变反应。

通过复杂设计,在目标燃料芯块周围放置多个空腔,以精确调整高超音速弹射产生的冲击波。

有趣的是,First Light 宣称技术灵感源于皮皮虾(pistol shrimp),及其著名的水下泡泡射击武器。这些小家伙能够以令人难以置信的速度发力产生冲击波,并以高达60mph(96km/h)的速度向前喷射水流。

由于速度实在太快,以至于在剪切周围静止水时,蒸发并形成微小的气泡腔 —— 再结合冲击波的相互作用、并在极短的时间内坍塌,让这些气泡中的蒸汽会被加热到数万度、乃至发出明亮的闪光。

1- Advanced target - First Light Fusion(via)

基于此,First Light 决定通过特殊的设计,以将这种效果放大到远超虾爪的聚变条件。其创造并改进了一系列小目标,其中一些呈立方体、边长约1厘米(0.4英寸)。

此举旨在以超高速的硬币形弹射击中时,产生一系列相互作用的高速冲击波和气泡腔。这些冲击波在计划的时刻相交,以极大地增强空化效应,从而在一个精确定位的小燃料芯块周围形成压力。

弹射使用了类似于轨道炮的电磁设计,速度可达惊人的6.5公里 / 秒(23400公里 / 小时、或14540英里 / 小时),略低于19倍音速。

其瞄准的目标本身,正从同一个入口穿过反应时。那样在击中时,便可产生约100吉帕斯卡的冲击压力。不过特殊的目标设计,可将相互作用的空腔塌陷和压力波放大至大约1太帕斯卡。

当燃料芯块内爆时 —— 加速到超过70公里 / 秒(25.2万公里 / 小时、15.7万英里 / 小时、或204马赫) —— 巨大的压力波从四面八方涌来,最终压力可高达100太帕斯卡。

First Light 指出,此时聚变材料成为了地球上移速最快的物体,燃料颗粒被从几毫米压缩到100微米不到,产生的压力和温度足以引发聚变反应。

First Light 希望2030年代建成造价不到10亿美元的150兆瓦聚变电厂

反应释放出大量的热能和种中子,然后被腔内流动的1米厚(3.3英尺)液态锂金属幕所吸收。当颗粒溅落到液态锂池中时,热交换器将能量传递给水,接着产生的蒸汽便可推动商用涡轮机来发电。

First Light 表示,每个预设目标产生的能量,可满足普通英国家庭的2年用电需求。据英国能源公司所述,这相当于6.2兆瓦时。

在未来商业发电设施中,这种情况可每30秒发生一次,从而让电厂具有744兆瓦左右的有效输出功率。

虽然略低于美国核裂变电厂的1吉瓦均值,但聚变反应堆可完全免除核废料处理、以及堆芯熔毁等困扰。

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