可控核聚變 2024-04-02 17:13 上海
英國第一光聚變公司（First Light Fusion，FLF）近期宣布，它打破了美國桑迪亞國家實驗室的壓力世界紀錄，将壓力極限提升至 1.85 TPa，是地核壓力的五倍。FLF于2011年從牛津大學剝離出來，研究用氣槍（Gas Gun）等沖擊實作D-T（氘-氚）慣性限制核聚變。
FLF計劃2032年建成中試工廠，目标是設計一座發電量約為 500 兆瓦的發電廠，每 10 秒點火一次，成本不超過 50 億美元。2022年2月14日，FLF完成了4,500萬美元的C輪融資，投資方包包括Oxford Science Enterprises（前身為OSI）、Hostplus和IP Group plc，新投資者包括Braavos Capital和騰訊。
1、慣性聚變
FLF采用的研究途徑與其他進行核聚變研究的公司不同，它專注于慣性限制聚變技術。這種方法依賴于高速射彈産生的極端溫度和壓力來引發聚變反應，并且相較于其他方法，它更為簡潔、更高效且實體風險更小。慣性聚變是一種脈沖式過程，類似于内燃機，通過注入少量燃料并引發點燃來實作燃燒。目前流行的慣性聚變技術主要依賴大型雷射器來作為“火花塞”點燃核聚變反應。
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盡管之前已經探讨過使用彈丸進行聚變的方法，并認識到這需要極高的彈丸速度，FLF提出的靶設計包括放大器和燃料艙兩個關鍵部分。放大器的雙重作用在于它一方面增加了射彈沖擊所産生的壓力，向燃料艙施加更大的壓力，在另一方面，這種放大作用減少了所需達到的彈丸速度。并且，燃料的内爆速度遠遠超過了最初的撞擊速度，進一步降低了實作聚變所需的條件。
FLF的沖擊放大器可以将射彈的撞擊壓強放大15倍。一個BFG發出的射彈以6.5km/s和80GPa撞擊放大器，沖擊波将被放大為80km/s和1.2TPa抵達核燃料，最後核燃料内爆形成10-100TPa的壓強。
在反應堆中，目标将被丢入反應室，射彈将通過同一入口向下發射，以便在适當的時刻趕上目标。容器的簡單幾何形狀，隻有一個入口孔，允許使用液體第一壁。流動的液體保護反應室不受巨大能量釋放的影響，巧妙地回避了其他核聚變方法中一些最困難的工程問題。
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要将核聚變有效地用作能源來源，核心要求是聚變反應産生的能量必須超過引發聚變所需的輸入能量，這種能量輸出與輸入的比值被稱作能量增益Q。根據勞森準則，Q值與等離子體密度（n）、等離子體限制時間（τ）以及等離子體溫度（T）的乘積正相關。與其他聚變技術如雷射慣性限制聚變（ICF）和托卡馬克中的磁限制聚變（MCF）等相比，FLF通過其創新的靶設計取得了較高的密度-時間（nτ）值。為了實作能量的正增益Q，關鍵在于通過增加射彈速度進而提升溫度T。
2、技術啟發來自手槍蝦
FLF的新核聚變技術靈感來自自然界的手槍蝦，該蝦利用其超大爪子迅速合攏産生的沖擊波來在水中形成高壓氣泡，氣泡破裂時産生的高溫能達到幾萬度。而為了達到數千萬度的聚變條件，FLF采用了類似的原理，但不是通過蝦爪，而是使用一種高速射彈作為更大更快的"錘子"來驅動空腔塌陷，進而探索實作聚變的可能性。
3、M4——世界級的高能密度科學裝置
在2023年1月，First Light Fusion（FLF）宣布了開發新型電磁發射器M4的雄心勃勃的計劃，這一設施預計将在2027年投入運作。M4不僅标志着FLF射彈聚變計劃的一個重大進步，也将成為一個對英國乃至全球的高能量密度科學研究具有重要意義的世界級實驗平台。這包括但不限于在實驗室天體實體學、行星科學、材料科學、輻射與核聚變基礎科學問題探索中，通路多Gbar壓力區域并進行毫米空間尺度的研究。
M4旨在實作有效的點火和超過100倍的能量增益，專注于高溫等離子體實體的研究以降低自加熱的風險。裝置的設計亮點包括直徑達75米，電能儲存容量約100MJ，以及最高射彈速度達到60km/s——三倍于其前代M3的性能，預計将成為全球最大的脈沖驅動器。這種高電壓、快速電流上升時間的機器，将進一步推動英國科學和技術研究需求的發展，為廣泛的高能量密度科學應用開辟新的可能性。
在2024年2月，FLF在美國桑迪亞國家實驗室利用Z機進行了首次聚變實驗，并成功争取到了于2025年使用Z機進行兩次額外實驗的機會，旨在深入研究其靶放大器技術的潛力。這标志着首次有私營公司獲準使用Z機進行實驗。作為全球最強大的電磁脈沖功率裝置，Z機能夠一次性釋放出80TW的電力，相比之下，2022年全球的電力裝機容量據國際能源署（IEA）報告為8.643TW。
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