记忆印刻 - @JessFraz
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让我们玩全球热核能源
了解你的电力来源非常重要。
杰西·弗拉泽尔
作为软件从业者，了解事物的工作原理非常重要。为你的计算机和其他设备供电的电力来自哪里？为托管你服务的数据中心供电的能源来自哪里？这些是高效的能源来源吗？它们对环境是好还是坏？
我们每天所做的工作都涉及到更大的图景。通过了解这个更大图景的各个方面是如何运作的，我们可以确保我们正在构建和使用最高效的系统。当我们深入研究能源背后的物理学时，我们可以学习制造更持久的电池来为我们的设备供电，或者找到更好的电力供应方式。本文重点关注后者。
太阳的等离子体核心非常热——大约2700万华氏度（jpl.nasa.gov）——并且非常稠密。太阳核心的巨大质量和热量将太阳中心的两个氢核挤压成一个氦原子，释放出能量。这个过程被称为热核聚变，或更常见的简称聚变。在这个过程中，一些氢原子的质量以光的形式释放出来，转化为能量。这个过程的细节将在后面更详细地讨论。聚变通常涉及两个氢核，通常是氘和氚；但在极少数情况下，在非常稠密的恒星中，四个氢核会结合。有趣的事实：氦的名称来源于希腊词helios，意思是太阳。氦是在太阳日食期间在太阳上发现的，几乎比地球上发现该元素早30年（cora.nwra.com）。
太阳只是一颗恒星。恒星共享相同的聚变过程：将氢原子转化为氦并释放能量。更大的恒星可以继续聚变成更重的元素，直到最终变成铁。由于所需的能量，铁无法聚变成任何更重的物质。一旦恒星产生铁，接下来的动作通常是超新星爆发，因为恒星不再能够维持平衡。太阳是地球的主要能源，但它并不是产生能量最多的恒星；许多其他恒星产生更多的能量（courses.lumenlearning.com）。
恒星，包括太阳，只是聚变的一个例子。许多科学家正在努力使聚变成为一种能源，以取代目前为电网供电的方式。聚变是一种很有前景的能源，原因有很多，本文将涵盖这些原因；它还介绍了聚变能背后的一些技术细节。而且，在谈论聚变时，你不能不提及裂变，所以本文也会涉及裂变。让我们深入探讨一下。
结合能和燃料
恒星的例子开始解释聚变是如何工作的。对于恒星来说，聚变反应的燃料是氢。要理解核能来源，首先你需要理解BE（结合能）的概念。原子核的BE等于将其完全分解为分离的质子和中子所需的能量（courses.lumenlearning.com）。本质上，一些原子核比其他原子核需要更多的能量才能将它们结合在一起。
聚变的最佳燃料需要相当多的BE才能将它们结合在一起。这与紧密结合的原子核形成对比，后者不需要太多的BE来保持在一起。将两个需要大量BE的氢核结合成一个紧密结合的氦核，这就是恒星中聚变反应的发生方式。当这种情况发生时，原子核的结构会发生变化，这使得不需要的BE可用。将氢核结合在一起所需的较大BE不再是紧密结合的氦核所需要的；因此，它被释放出来。这是核聚变能背后的基本相互作用。
利用裂变产生能量的过程与聚变过程有点相反。在裂变中，一个重的、不稳定的原子核分裂成两个较轻的原子核，释放出大量的能量。裂变用于今天的所有核电反应堆。虽然聚变将原子核结合在一起以释放能量，但裂变则相反，将一个原子核分裂成两个或多个原子核。例如，裂变反应堆采用需要大量BE的重铀核，并将其分裂成两个更紧密结合的、较轻的原子核。有趣的事实：第一个裂变反应堆于1942年在芝加哥作为曼哈顿计划的一部分创建，并被命名为芝加哥1号堆，或CP-1（energy.gov）。另一个有趣的事实：世界上第一艘核潜艇USS 鹦鹉螺号，使用裂变反应堆作为动力。它不需要补充燃料，可以潜伏数月（history.com）。
任何热核能过程，无论是分裂原子核（裂变）还是结合原子核（聚变），都是为了实现能量的净增益。裂变和聚变都需要从需要大量BE的原子核开始，并向需要较少BE的原子核移动，在此过程中释放剩余的BE。剩余的能量通常以热的形式出现，可以用来在热交换器中产生蒸汽。然后，蒸汽驱动涡轮机发电。这就是大多数基于裂变的发电厂的工作原理。
静止带电体之间的电力被称为静电力或库仑力。任何用于聚变的燃料都需要克服库仑力，以便能够聚变。这需要一定的能量输入。对于任何燃料，克服库仑势垒所需的能量输入应该是合理的。本质上，产生能量需要能量，但不能过多，以至于没有良好的净收益。最重要的是，反应的能量输出需要是净正的；否则，这只是一个昂贵而花哨的实验。在许多情况下，例如太阳，没有足够的能量来克服库仑势垒，而量子隧穿是聚变工作的必要条件（forbes.com）。
聚变的最佳燃料需要低能量来引发反应。实现反应需要在技术上合理且经济上可行，即所需的能量输入要少于输出。燃料需要具有高聚变概率。构成燃料的原子核需要具有更大的BE，以便它们能够以最小的能量输入被吸引到更紧密结合的结构。最后，理想的聚变燃料具有高能量输出，可以转化为电力。
理想的聚变燃料有几种选择。许多商业聚变反应堆使用氘作为燃料输入的一部分。氘，也称为重氢或氢-2，通常用2H或D表示。氢有两种稳定的同位素：氕（称为氢-1）和氘。为什么是氘？氘聚变产生的能量大约是氢-1聚变的30倍（undsci.berkeley.edu）。
下一个问题是：氘和什么？你需要两个原子核来构成燃料。有三种选择：氘和氚（D + T）；氘和氘（D + D）；以及氘和氦-3（D + 3H）。每种燃料都会输出一种形式的氦，通常还有其他东西，如质子（p）、中子（n）或氚（T）。
每种燃料的主要风险之一是库仑散射的概率。当两个粒子彼此靠近并相互排斥，朝不同的方向飞散，而不是聚变时，就会发生这种情况。如果你限制粒子，它们散射，它们会从限制的边界反弹，而不是无限地散射开。当所有这些粒子都被限制时，就会产生等离子体。等离子体或任何物质的能量都由其温度来描述。温度是系统中每个粒子动能的均方根。因此，太阳等离子体核心在2700万华氏度时具有很大的能量。
图1显示了最理想的聚变燃料表，按其可行性排序。排名的首要依据是温度，单位为keV（千电子伏特）。例如，15 keV大约是1.75亿摄氏度。这很热！排名第2和第3位的燃料需要更高的温度，因此不易操作。所需的温度必须是实际可实现的。其次，排名是基于能量输出。反应产生的热量用于发电。
冷聚变
如前所述，太阳的核心温度约为2700万华氏度。为了使聚变发生，燃料通常需要非常热。冷聚变，也称为LENR（低能量核反应），指的是在室温下进行的聚变过程。这很有吸引力，因为它否定了所有需要升温到极高温度才能发生聚变的能量。这使得过程更有效率，可以获得更多的能量用于发电。
1985年，由于一次实验室事故，斯坦利·庞斯和马丁·弗莱什曼认为，在他们的一个电化学烧杯中发生了氘聚变成氦的现象。烧杯位于室温实验室中，因此这将是首次已知的冷聚变发生。如果这是真的，在像实验室烧杯这样普通的东西中进行冷聚变的行为将是革命性的，因为正如我们从恒星中了解到的，聚变通常需要难以置信的热量才有可能发生。庞斯和弗莱什曼决定投入自己的资金，进一步研究冷聚变作为能源。
然而，经过大量的实验，他们并没有获得更多的理解。他们可以在极少数情况下重复这种现象，但无法解释为什么它只在有时起作用，并且没有实现高频率可重复性的途径。大多数实验没有产生能量。1989年，违背他们的更好判断（newenergytimes.com），庞斯和弗莱什曼发表了他们臭名昭著的论文：《电化学诱导的氘核聚变》（sciencedirect.com）。
接下来发生的事情被称为科学界的马基雅维利效应 （amazon.com），这意味着许多人驳斥了冷聚变的想法。如果冷聚变是可能的，高能物理学界将会感到尴尬，并可能失去资金。冷聚变将比当时提出的任何聚变或裂变技术都便宜得多。
大多数人将冷聚变称为病态科学——尽管科学界已达成共识，认为它是错误的，但对它的研究仍在继续。正如本文后面所示，冷聚变不符合聚变能所需的标准。然而，这并不能解释庞斯和弗莱什曼发现的现象。科学乐观主义者发现很难在没有任何解释的情况下排除冷聚变，说明为什么这种现象有时会发生；这可能解释了为什么有些人仍在研究它。
为什么选择聚变？
作为一种能源，聚变是一项引人注目的技术，原因有很多，包括经济性、可持续性和效率。今天，裂变反应堆的输出功率为1-1.7吉瓦。据估计，每千瓦电力的平均成本与裂变相似，但随着规模经济的扩大，成本会越来越低（iter.org）。
与裂变相反，聚变不会发生像福岛（world-nuclear.org）和切尔诺贝利（world-nuclear.org）那样的堆芯熔毁反应。这是因为聚变需要如此高的温度才能发生反应，以至于任何扰动都会使等离子体在纳秒内冷却，反应就会停止。
聚变不需要或产生任何可以转化为核武器的材料，不会向大气中排放任何毒素，如二氧化碳，也不会产生任何长寿命的核废料。聚变反应堆中组件的活化程度很低，材料可以在100年内回收或再利用。如前所述，聚变的结果是氦。氦气是相当无害的，除了吸入后声音会变尖的副作用。（这是一个笑话。氦气是无害的。潜水员甚至在长潜水中使用它来代替氮气。）
聚变燃料来源广泛且几乎取之不尽。例如，氘可以从所有形式的水中提取，而氚是氘和氘聚变的产物。以可控方式将原子聚变在一起可以释放出比化学反应（如燃烧煤、石油或天然气）高出近四百万倍的能量，以及比核裂变反应高出四倍的能量，质量相等。聚变有可能提供为城市和工业供电所需的基础能源。
聚变方法
图2说明了许多不同的聚变能方法。本文重点介绍你可能听说过的最新方法。本节深入探讨这些聚变方法，并描述一些更现代的设计。
聚变能所需的三个组成部分是：等离子体密度（n）、等离子体温度（T）和能量约束（τE）。这在数学表达式中表示为
n × T × τE
劳森判据（euro-fusion.org）是一种评估聚变方法离实现必要条件有多近的有力方法。J.D.劳森在1955年写到了这一点，这意味着我们已经知道热核反应堆的标准几十年了。请注意，冷聚变不能用劳森判据来建模。
它使用这里提到的三个要求和一个简单的公式
Q = (聚变能量输出) ÷ (能量输入)
因此，要产生能量，你需要一个高的Q值。Q需要大于1才能获得能量增益。当Q小于1时，会发生能量损失。当Q等于1时，获得的能量等于能量输入，所以它是中性的；否则，你将消耗能量。许多概念都因某些等离子体不稳定性而失败（wikipedia.org）；这些是过程中未知的未知数。
现在我们有了一个评估聚变设计的公式，让我们来看看一些设计。
磁约束聚变
MCF（磁约束聚变）具有强大的电磁场，可将等离子体约束和加热在称为托卡马克的甜甜圈形反应堆内。（托卡马克这个名字来源于俄语首字母缩写，意思是“带轴向磁场的环形室”。）大约有170个设备使用这种方法，其中六个是在麻省理工学院建造的。许多这些技术进步都是通过计算机建模实现的。约束等离子体所需的磁场非常复杂，它们需要30年前不存在的制造精度水平。JET（联合欧洲环形加速器）（euro-fusion.org）、ITER（iter.org）、Commonwealth Fusion Systems（cfs.energy）和Tokamak Energy（tokamakenergy.co.uk）都采用了这种方法。
这种设计已经有反应堆的Q值（由劳森判据定义）约为0.65（youtube.com）。MCF是迄今为止任何聚变方法中Q值最高的。由于早期结果很有希望，托卡马克已成为聚变研究的主要焦点；因此，这就是为什么建造了如此多的MCF设备。
惯性约束聚变
激光！在ICF（惯性约束聚变）中，强大的脉冲激光或离子束将小的燃料丸压缩到极高的密度。由此产生的冲击波会在等离子体消散之前对其进行加热。劳伦斯利弗莫尔国家实验室的NIF（国家点火装置）（lasers.llnl.gov）、OMEGA（sciencedirect.com）、激光兆焦耳（LMJ）项目（sciencedirect.com）、First Light Fusion（firstlightfusion.com）和General Atomics（ga.com）都采用了这种方法。
NIF的劳森判据给出的估计Q值为0.1，小于1，因此它不是能量的净增益。
磁化靶聚变
在MTF（磁化靶聚变）中，也称为MIF（磁惯性聚变），磁场约束较低密度的等离子体，然后使用惯性约束方法（如激光或活塞）对其进行加热和压缩，类似于惯性约束聚变。这个概念有点像MCF和ICF的结合。桑迪亚国家实验室的Z-machine（sandia.gov）、劳伦斯利弗莫尔国家实验室的DPF（稠密等离子体聚焦）（ieee.org）（llnl.gov）、华盛顿大学的ZaP（aa.washington.edu）、General Fusion（generalfusion.com）、HyperJet Fusion（hyperjetfusion.com）和Magneto-Inertial Fusion Technologies（miftec.com）都使用了这种方法。
将劳森判据应用于这种方法得出的Q值小于0.1。这意味着从理论上讲，该概念尚未获得能量的净增益。许多实验室采用这种方法的原因是，该反应堆可用作高功率X射线、中子源或粒子加速器。
场反向构型
在FRC（场反向构型）中，反应堆通过在圆柱形等离子体内部感应环形电流，将其等离子体包含在自身的磁场中。与外部施加磁场的方向相比，反应堆内部的轴向场被等离子体中的涡流反转。Helion Energy（helionenergy.com）、Princeton Fusion Systems（princetonfusionsystems.com）和TAE Technologies（tae.com）都采用了这种方法。TAE Technologies的反应堆使用等离子体枪将两个等离子体加速到一起，然后用粒子束加热它们。
仿星器
仿星器设计是最原始的聚变概念之一。它具有螺旋带状形状，可产生高密度等离子体。等离子体是对称的，比托卡马克更稳定，允许反应堆长时间运行。马克斯·普朗克等离子体物理研究所的Wendelstein 7-X（ipp.mpg.de）使用了仿星器。
这种方法的劳森判据给出的Q值小于0.1。
液态氟化钍反应堆
到目前为止，本文主要关注聚变反应堆，只简要地提到了裂变。今天的核电站使用裂变反应堆。如前所述，在裂变反应中，一个重核分裂成两个或多个较轻的核，在此过程中释放能量。核电站通常使用铀-235或钚-239作为反应堆的燃料。铀-235是铀的一种同位素；与主要的稳定同位素铀-238不同，铀-235是易裂变的，这意味着它可以维持裂变链式反应。最常见的裂变反应堆类型是LWR（轻水反应堆），它使用普通水而不是重水作为冷却剂和中子减速剂。
LFTR（液态氟化钍反应堆），发音为lifter，使用钍以及氟化物基熔融液态盐作为反应堆燃料。这种设计是一种熔盐反应堆，其中主要的冷却剂和/或燃料是熔盐混合物。在LFTR的情况下，冷却剂和燃料都是熔盐混合物。熔盐反应堆的独特之处在于它们在接近大气压的压力下运行，而不是典型LWR运行的75-150倍大气压。在大气压下运行有助于防止事故（hal.in2p3.fr）。
第一个LFTR概念是在20世纪60年代在橡树岭国家实验室研究的，但它没有使用钍。今天，许多国家都在研究LFTR。一家初创公司Flibe Energy（flibe-energy.com）正在致力于建造LFTR。
LFTR与现有的裂变反应堆相比有什么优势？主要的优势是安全性。正如刚才提到的，在接近大气压下运行有助于防止在高压下可能发生的爆炸。钍和LFTR废物副产品很难转化为核武器，并且比传统的LWR具有短得多的半衰期（scidev.net）。你可以安全地将钍握在手中，而你不能对铀或钚这样做。事实上，使用钍代替铀作为燃料意味着浓缩铀（最常用的核武器材料之一）的流行程度会大大降低（semanticscholar.org）。
钍在地壳中含量丰富，甚至比锡、汞或银还多。使用钍的一个巨大优势在于它可以用于热增殖反应堆。这意味着钍燃料可以增殖裂变铀，而裂变铀又可以在反应堆中再处理以产生更多能量。这使得地球上的核燃料资源可以扩展两个数量级。在典型的裂变反应堆中，铀需要富集才能用作燃料。传统的LWR消耗不到1%的开采铀，其余的作为废物留下。具有后处理功能的LFTR可以消耗约99%的钍燃料，而钍燃料是100%天然的，无需富集。
经济性如何？钍的巨大自然丰度和燃料效率与典型的裂变反应堆相比，表明经济优势将是显而易见的。然而，在2014年，芝加哥大学的研究人员发表了一篇论文，指出情况并非如此。他们承认成本存在差异，但认为这不足以证明有人建造反应堆是合理的，因为这需要大量的知识、专业知识和时间才能完成（semanticscholar.org）。我想相信是恐惧和缺乏乐观主义导致了这个结论，因为长期的经济和安全优势将是一项巨大的成就。
结论
到现在为止，你应该对构成热核能解决方案的聚变和裂变反应堆有了更深入的了解。通过从第一性原理出发，本文展示了核反应中原子核会发生什么。为了我们文明的成长和进步，我们需要加大对通过清洁、安全和高效的工艺为世界提供电力的投资。热核能是向前迈出的一大步。
本文主要关注电网规模反应堆的用例。核能还有许多其他用例：原子电池、火箭核发动机（wikipedia.org）、太空探测器、潜艇（upi.com）和飞机（wikipedia.org）。很难想象没有某种热核能为我们周围的各种事物供电的未来。因此，稍微修改一下电影战争游戏中的一句台词，“让我们玩全球热核能源吧！”
致谢
感谢托马斯·埃克特、詹姆斯·凯西和乔丹·诺恩对本文提供的反馈。
杰西·弗拉泽尔是Oxide Computer Company的联合创始人兼首席产品官。在此之前，她曾在Linux的各个部分工作，包括容器，以及Go编程语言。
版权所有© 2020，归所有者/作者所有。出版权已授权给。
最初发表于 Queue 第18卷，第6期—
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