First Light提出新穎的“彈射聚變”方法 靈感竟來自於皮皮蝦

牛津孵化的 First Light ,剛剛演示了全球首例高超音速“彈射聚變”(projectile fusion)技術。該公司致力於提供最快速簡便的商業聚變能源,並且正在慶祝一項重大突破。與基於重核裂變的傳統核電站不同,聚變反應堆能夠像太陽那樣釋放出能量。

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借高速彈射撞擊專門設計的墜落目標,其中嵌入燃料芯塊。(來自:First Light)

目前大多數大型托卡馬克裝置和基於仿星器的聚變項目,都打算通過磁約束等離子體來達成比太陽核心更高的溫度,以期原子核的移動速度能夠快到克服兩者之間的強大排斥力。

其它途徑包括澳大利亞的 HB11,其採用了更具針對性的方法,藉助超強激光以極快的速度加速氫原子,以讓硼燃料芯塊產生帶正電的氦原子並利用這部分能量。

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多個空腔在被高超音速彈丸擊中時坍塌,利用其匯聚產生的衝擊波以構成聚變壓力和溫度條件。

不過 First Light Fusion 選擇了截然不同的技術路線,無需昂貴、強大的激光器或磁鐵。與 HB11 類似,它需要極高的速度 —— 以軌道炮向目標墜落的方式來彈射。

特製的彈射過程可產生微調的坍塌衝擊波,瞬時壓力較海平面大氣壓力高出近 10 億倍,可使嵌入的小型氘燃料芯塊以足夠高的速度自行內爆,從而克服核排斥並開啟聚變反應。

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通過複雜設計,在目標燃料芯塊周圍放置多個空腔,以精確調整高超音速彈射產生的衝擊波。

有趣的是,First Light 宣稱技術靈感源於皮皮蝦(pistol shrimp),及其著名的水下泡泡射擊武器。這些小傢伙能夠以令人難以置信的速度發力產生衝擊波,並以高達 60 mph(96 km/h)的速度向前噴射水流。

由於速度實在太快,以至於在剪切周圍靜止水時,蒸發並形成微小的氣泡腔 —— 再結合衝擊波的相互作用、並在極短的時間內坍塌,讓這些氣泡中的蒸汽會被加熱到數萬度、乃至發出明亮的閃光。

1 – Advanced target – First Light Fusion(via)

基於此,First Light 決定通過特殊的設計,以將這種效果放大到遠超蝦爪的聚變條件。其創造並改進了一系列小目標,其中一些呈立方體、邊長約 1 厘米(0.4 英寸)。

此舉旨在以超高速的硬幣形彈射擊中時,產生一系列相互作用的高速衝擊波和氣泡腔。這些衝擊波在計劃的時刻相交,以極大地增強空化效應,從而在一個精確定位的小燃料芯塊周圍形成壓力。

2 – Projectile fusion – First Light Fusion(via)

彈射使用了類似於軌道炮的電磁設計,速度可達驚人的 6.5 公里 / 秒(23400 公里 / 小時、或 14540 英里 / 小時),略低於 19 倍音速。

其瞄準的目標本身,正從同一個入口穿過反應時。那樣在擊中時,便可產生約 100 吉帕斯卡的衝擊壓力。不過特殊的目標設計,可將相互作用的空腔塌陷和壓力波放大至大約 1 太帕斯卡。

3 – First Light reactor concept – First Light Fusion(via)

當燃料芯塊內爆時 —— 加速到超過 70 公里 / 秒(25.2 萬公里 / 小時、15.7 萬英里 / 小時、或 204 馬赫) —— 巨大的壓力波從四面八方湧來,最終壓力可高達 100 太帕斯卡。

First Light 指出,此時聚變材料成為了地球上移速最快的物體,燃料顆粒被從幾毫米壓縮到 100 微米不到,產生的壓力和溫度足以引發聚變反應。

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First Light 希望 2030 年代建成造價不到 10 億美元的 150 兆瓦聚變電廠

反應釋放出大量的熱能和種中子,然後被腔內流動的 1 米厚(3.3 英尺)液態鋰金屬幕所吸收。當顆粒濺落到液態鋰池中時,熱交換器將能量傳遞給水,接着產生的蒸汽便可推動商用渦輪機來發電。

First Light 表示,每個預設目標產生的能量,可滿足普通英國家庭的 2 年用電需求。據英國能源公司所述,這相當於 6.2 兆瓦時。

0 – First Light Fusion’s mission and projectile fusion approach(via)

在未來商業發電設施中,這種情況可每 30 秒發生一次,從而讓電廠具有 744 兆瓦左右的有效輸出功率。

雖然略低於美國核裂變電廠的 1 吉瓦均值,但聚變反應堆可完全免除核廢料處理、以及堆芯熔毀等困擾。

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