(各位大大養一養吧,估計一週後小高潮,2-3周後本卷大高潮)
等離子體就像一團拼命往外膨脹的高溫氣體,磁場就是捆住它的籠子。物理學家用一個叫β的引數來描述兩者的較量:
β = p / (B2 / 2μ?)
在這個公式中,p 代表等離子體向外的壓力(p ∝ n·T),而分母 (B2 / 2μ?) 則代表磁場向內的“磁壓”,B 即為磁場強度。
β 存在一個絕對的穩定性上限,一旦等離子體壓力越過這個界限,就會發生破裂,當場“撞牆”導致停機。
根據上述公式,一串迷人的連鎖反應出現了:
在 β 固定的前提下,等離子體能承受的最大壓力 p,正比於 B2(磁場強度的平方)。 而根據核反應截面公式,聚變功率密度又正比於壓力 p 的平方。
代入推導後,物理學界得出了一個堪稱暴力的最終結論: P_fusion ∝ p2 ∝ β2·B?
聚變功率密度,正比於磁場強度的四次方!
……
也就是說,如果超導磁體的磁場強度能翻一倍,託卡馬克反應堆的聚變輸出功率就能暴漲16倍!或者反過來,在維持相同功率的前提下,反應堆的體積理論上能縮小到1/16。就算考慮到第一壁中子負載這些工程約束打個折扣,縮到原來的幾分之一也是板上釘釘的事。
體積縮小意味著什麼?
意味著需要用到的特種鋼材、第一壁裝甲、冷卻管道全部成倍減少!原本需要三年才能建完的巨型反應堆,可能一年就能模組化拼裝完畢;原本高達幾百億的建造成本,直接就能砍掉一大半!
分子在暴漲,分母在暴跌。
至於Q值,在輸入能耗暴跌、輸出功率暴漲的雙重加持下,突破10根本就跟玩一樣!
……
這套“強磁場、緊湊型”的思路,其實並不是秘密。早幾年,美國麻省理工學院(T)孵化出來的明星聚變公司 CFS(聯邦聚變系統),走的就是這條路子。
他們靠著押注能跑出20特斯拉強磁場的高溫超導磁體,硬生生把自家研發的 SPARC 裝置主半徑壓縮到了區區 1.85 米,體積只有國際熱核聚變實驗堆(ITER)的六十分之一,設計目標卻照樣瞄準了 Q>2 的淨能量增益!訊息一齣,整個聚變圈都炸了鍋,比爾·蓋茨、谷歌等矽谷資本蜂擁而至,讓 CFS 一口氣融了二十多億美元。
但問題也恰恰出在這裡——既然這條路子這麼香,為什麼中美歐的國家隊主力沒有全線跟進,CFS 燒了幾十億美金卻依然遲遲沒能實現商業化發電?
因為現有的超導材料,根本撐不起這個美麗的泡沫!磁場,是不能靠堆料無限往上加的!
……
超導體頭頂懸著三道生死線:臨界溫度(Tc)、臨界電流(Jc)、臨界磁場(Hc)。三者互相牽制,磁場越強,超導體能承載的電流就越小。一旦越過紅線,超導態當場崩潰,儲存線上圈裡的巨大磁能會在零點幾秒內全部轉化成焦耳熱,把價值數億的磁體燒成廢鐵——這就是讓所有聚變工程師聞之色變的“失超(Quench)”。
更麻煩的是力學結構。磁場越強,線圈自身受到的洛倫茲電磁斥力就越大,而且同樣是按 B2 的指數往上漲!
在 20 特斯拉級別的強磁場線圈內部,向外撕裂的電磁應力高達 600 到 800 兆帕以上,這相當於把幾十輛主戰坦克的重量,全部死死壓在一根手指肚大小的截面上!
而前面說過,現有的 REBCO 高溫超導本質上是一層脆性陶瓷!在如此恐怖的巨力拉扯下,稍微有一點形變,陶瓷薄膜就會當場崩裂。
為了不讓超導帶材被自己的磁場扯碎,CFS 公司的工程師們只能採取極其笨重的妥協方案:在薄薄的超導帶材外面,包裹上厚達幾十釐米的頂級特種不鏽鋼結構件來硬扛應力,並用極其複雜的銅槽焊接工藝固定。
結果就是:為了追求 20 特斯拉的磁場,磁體本身的造價翻了十幾倍,而且在經歷幾次脈衝放電的應力疲勞後,內部陶瓷層依然會出現不可逆的微裂紋衰減,壽命極短!這也是強磁場緊湊型路線至今停留在PPT和實驗樣機階段,無法真正走向工業實用化的最大死穴。
……
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