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高温高密FRC等离子体动力及推进研究

发布日期:

2023-10-23 17:06


杨显俊

中国工程物理研究院研究员

第44届国际等离子体科学大会组委会委员

第一届国际创新性聚变途径会议顾问委员会主席

       2020年,我国除了抗击新冠肺炎和告别绝对贫困取得巨大的成功以外,影响了我国科技发展的伟大的事件是什么?那就是太空探索,我们的嫦娥一号,天问一号成功发射,这开启全面太空探索的新时代。可能有人会问,太空探索是不是离我们普通人很遥远?其实一点都不遥远,埃隆·马斯克在几年前就计划2022年开始向火星移民。听说报名空前,光是中国就有近1万人报名,而且报名费是100万美元,可想而知这个商业利益是巨大的。所以,如果它没有商业前景,会有那么多人相信吗?这不可能的。

       我们要做太空探索或太空旅行之前,要很谨慎地问,对普通人来说,太空探索有什么样的风险呢?我自己认为最大的风险是人体和精神面貌会发生变化。这种情况下,我们要探讨一种新的技术,高密度等离子体推进技术,它可能会缩短旅行时间,让我们的风险减少到最低。

研究背景


       对于普通人,风险体现在哪里?第一,随着旅行时间延长,人体的骨骼和肌肉会逐渐萎缩。科学家做过研究,只要超过100天,人的骨骼和肌肉会大幅度萎缩。第二,如果在轨一年,癌症的风险会大幅度增加。

       有没有解呢?有的,太空探险有一定的风险,但如果我们能找到一种方式能够减少一定的旅行时间,能控制在一定的范围,那这个影响就会大幅减小。


       美国去年疫情很严重,政治、经济、社会矛盾重重,但美国很多精英人士,他们去年推进了“太空核动力与推进国家战略”,正好是2020年12月16日发布的。它提出了一种替代现在太空探索,太空旅行的方案。

       现在主要用于太空探索和旅行的是太阳能、化学能。这个方案提出的两个技术途径是这样的,一是核动力;二是热核推进,这就是等离子体兼顾核,但又不是传统的核能。传统的核能指的是裂变,这里的核是指聚变。

       我们这里提出的FRC(Field Reversed Configuration,返场构型)技术可能比美国的“太空核动力与推进国家战略”计划还要进一步,它可以把美国这个计划的动力和推进完美地结合在一起,这是我希望探索和研究的。这是一个梦想,但是我们只要努力,也许梦想可能会变成现实。

FRC技术


       等离子体,因为温度太高,没有东西装得住,好在等离子体是带电粒子,我们通过很强的磁场,让这个磁场构形很完美的闭合起来,让整个高温高密的等离子体被控制在其中,然后根据我们的需求进行调节,进行加温,进行加速,这样可以达到我们预期的目标,这就是FRC技术。


       这个技术最核心的问题是,它是构成一种磁场位形,把高温高密的等离子体牢牢控制住。它的原料说起来很简单但又不简单,它用的是氘,来自海水,海水的含量是万分之二,但海水占陆地面积70%以上,所以,实际上它是取之不竭、用之不尽的一种燃料。

       我们看这个反应,它实际上是氘和氘反应,反应到最后它释放的产物是氦4,而氦4是稳定的,没有任何污染的元素,它绿色环保无污染而且便宜;并且产生氘的技术,现在对于做核的人来说很普遍,很容易。这个情况,我们认为它是非常有希望的。

       FRC技术怎么用到我们太空推进呢?有两种方案:一是直接推进,把FRC做成推进剂。二是把它作为动力发电。这两种方案都可以实现我们的目标。

       这是我们做的数字模拟,FRC直接推进有两种方案,一种方案是所谓用洛伦兹力GXB来加速;第二种方案是所谓磁活塞,就是磁形波法。磁形波法就是用一系列的多极加速线圈,通过里面的电流不停地放电,产生的FRC在每一级放射过程中得到的磁场梯度逐渐增大,磁场梯度形成磁压就把FRC弹射出去,逐级加速,达到我们的理想目标。我们现在给出的是500公里/秒。这500公里/秒看起来是不可实现的。我们做了一些实验,但没有达到这个程度,因为我们没有进行逐级加速,产生出去以后就可达到100公里左右。根据计算和实验发现可能会做到1000公里/秒或突破1000公里/秒,注意不是1000公里/小时,这是令人非常惊讶的速度。


       FRC技术——直接推进的特点。一是速度可调,它可以从低速到高速,我们的低速可不是简单低速,起步是比较高的,100公里、80公里叫低速;高速可能会到1000公里/秒。二是比冲可调,它的比冲既可以大也可以小,小可以到几百,大可以突破万,比冲的空间也很大,也是可以调整的,这带来巨大优势。三是等离子体并不是传统的等离子体推进,它指的是低温低密等离子体,所谓霍尔推进器,早就已经做出来了,而且正在大规模应用当中。

       等离子体虽然在应用,但发展受到两个问题的制约:第一个问题,它的比冲有限,速度有限;第二个问题,低温的等离子体有电极的发热问题,它是靠好的电极产生的,所以,电极会发热,会损坏,最后报废,它只能用一段时间就得换,而且在太空上换是很复杂的事儿。我们的高温高密等离子体和低温低密等离子体是完全不同的概念。从刚才的反应已经可以看出,它是氘-氘反应,从高温等离子体一直跨到核的边缘,甚至可以突破核的门槛,突破就是聚变,太阳过程,没有突破就是高温高密,高温高密和低温低密是完全不一样的。


       第二是直接推动,就是直接产生动力,我们用两个FRC,比如产生闭合的FRC,球形或椭球形让它加速,分别从两端往中心注入,注入的过程中两边布置梯度线圈,磁场由大到小逐渐速度越来越大,往中间加速。加速以后,到了中间,能够以非常高的速度,又是高的温度、密度碰撞,大家不要担心它会闪掉,因为有很强的磁场。而且这个磁场不是简单的磁场,它可能会是个超强磁场,这个磁场跨度可能要到几个特斯拉,到百个、千个特斯拉那么大。


       现在人类工程的承受力可能只有十来个特斯拉 ,就报废了,是因为它接触到了线圈,接触了电极。而我们不接触线圈,不接触电极,所以再高的特斯拉也没关系的,因为它是脉冲式地运行,它往中间一碰撞的时候就会释放巨大的火花。这个火花可不是一般的火花,它的温度最高可以达到上亿度。上亿度是什么概念?那简直是没法想象的,我们的飞行任务可能不需要这么高的温度,我们需要按照航空器动力需求设计来做这个事。


       碰撞以后,产生的也是等离子体。这时候等离子体本身内部的磁场已经约束不住这些带电粒子了,带电粒子就会往两边膨胀,但这两边还预设有磁场,带电粒子膨胀实际压缩磁场。只要压缩的这个磁场有所谓的磁通守恒效应,它的电流就大幅增加,所以,它就可以直接发电,非常方便。

       通过几年前洛克西德·马丁公司说这样的装置放在卡车上,十年之内就能做成。我不大相信,但这个方向是对的。他说十年以后做成,放在卡车上可以供几百万人/年享用电力,这很科幻吧?这是核带来的巨大能量增益效应造成的。这本身从价钱来说非常便宜,通过计算成本,大约0.2元/度左右,所以它有巨大的价值,巨大的潜在商业利用在里面。所以,这对业界是个好消息。


       FRC技术——典型在研装置。这个应用是不是我痴人说梦呢?不是的。美国在这方面已经准备时间很长,如果没有应用价值,他们是不会做的,因为生产的产品,洛克西德·马丁公司都是用的。另一方面美国大学研究所,包括NASA、华盛顿大学也在做这个事情。以华盛顿大学为例,现在就在做火星探测器。埃隆·马斯克提到火星来回时间太长了,因为去要7个月,来要7个月,就是14个月,你不能刚去就回来吧?还得在火星上待一段时间,如果待一两个月,15-16个月就过去了。超过一年,人的骨骼、肌肉承受不了,谁会愿意把命丢掉?用了FRC技术,华盛顿大学他们认为到火星210天就往返,其中还包括了30天在火星上,这就满足人的好奇心和探险需求了。所以,在火星上时间可以更长一点,火星移民时代就开启了。

研究进展


       FRC的三个要素分别是:1.能把FRC做出来;2.能加速到多高的速度;3.如何发生聚变,释放巨大的能量。

       我们通过10年的努力,今年实际已经12年了,在前辈于敏老先生、王淦昌老先生的支持下做了这些工作。第一期,我们整个想法是两个FRC对撞融合,再加上磁压缩,固体导通压缩,实现最大的能量增益,最大的能量释放。这是原理,两个FRC,它产生以后加速,往中心,然后再压缩,最先实现点火。我们的第一期已经做完了,第二期数字模拟、设计做完了,但实验还没做,第三期就是下一步的事情。


       研究进展——FRC形成技术。FRC形成的原理是先把燃料储存在石英管里,燃料是中性的,燃料中心带有磁场。第二步把燃料电离,变成带电离子,带电离子突然磁场增强,比原来增强5-6倍之间,而且方向是相反的。如果磁场突然增强而且方向相反,第一是磁扩散需要时间;第二它的边缘部分没有东西阻挡它,马上就把磁力线打断,把它接起来,变成闭合的环,这样就把等离子体封装在里面,最后达到了等离子体和热压、磁压平衡,形成FRC。


       研究进展——FRC形成装置。中国工程研究院FRC产生的装置叫“荧光1号”,通过这个装置我们产生了国内率先高温高密FRC,它的温度已经到百万度,突破200万度,它的密度是每立方厘米10的16次方,存活时间是3微秒,3微秒时间看起来不是很高,但它大概每秒100公里左右,我们在有限范围传播也够了。下一步我们还要把时间存活达到毫秒量级,那就更好了,现在世界最高是毫秒量级,但那个毫秒量级是稳态的,不是脉冲的,我们这个是脉冲的,所以不需要到毫秒,到几十微秒就已经不错了,就可以完成我们的使命。


       除了我们做实验做出来以后需要数字模拟的平台,我们首先在国内自主开发了具有设计功能和数值模拟功能的一个MPF-2D软件,我们大概花了10年功夫,数学、物理的、计算机、力学通力配合,一个大团队做了10年。


       我们成功做了很多这方面的模拟,双温双流体这个模拟和实验我们做了几百发、上千发实验,最后发现数值模拟结果与理论结果惊人符合,这说明我们达到了FRC预期的成果,我们第一期的目标完成了。


       动态超强磁场。几个磁场,几千个特斯拉能掌握吗?我们通过8年的努力掌握了这个技术,可以让磁场从几个特斯拉到1425个特斯拉产生,这在2014年就已经发表在《Chinese Phy·Letters》上,这也是我领衔做的。这个磁场它的存活时间大概也是几微秒,但是厘米的空间范围,也就是说我们现有的FRC也是厘米量级的,刚好这个磁场把现有的FRC包住,这个磁场还可以动态地调整,动态地发展,这样我们就可以达到预期目的。


       第一期我们已经做完了,也就是靶的产生;第二期对撞融合,下面是对撞融合各种数值模拟,我们认为对于对撞融合的升温和存活时间延长是至关重要的,我们发现和预期是一致的。下一步最后还要达到点火条件,也就是聚变,释放最大可能的能量。这个点火条件,我们也做了一些一维、零维、二维大量的数值模拟。目前我们还没有对实验进行完全整合,希望下一步再继续做。这是技术储备情况。

前景展望

       第一,高温高密FRC技术不是很完善的,对于直接型是动态形成,直接加速;对于动力型,就是磁压缩,最后要达到点火,我们首先要追求最大限度的能量释放,然后让胸中有数,能量跨度上达到可调的目的。第二,对于驱动器本身,因为加速或产生离不开驱动力。现在我们的驱动器应该是在5-6米的范围,是有很多电容放电组成的,下一步我们驱动器还希望尽量小型化紧凑化;第二能让它的重量减轻,能放在卡车上最好了。第三是重复频率,现在做的是脉冲过去了,歇上几个小时再做第二个脉冲,如果今后重复频率,它就可以对每个脉冲进行调试,就像汽车的冲压一样,最后达到平稳的功率释放放的情况。

       所以,重频率是我们下一步在驱动器方面的重中之重。当然,我们通过调节不同的产额,它的一个诀窍是启动了核聚变的按钮,核的释放是一点一点释放,不是一下子到核的层次,而是到高温高密等离子体跨到核的层次,这中间是可调的,这样我们可以根据不同的需求来做实验。


       我们认为,FRC高温高密等离子体技术是潜在可以用在太空分析的探索、旅行非常有前景的技术,而全世界,美国也在往这方面发展。国内华中科技大、上海科技大、我们研究院和中国原子能研究院都在做这个事儿。现在它相当于是群雄并起,各自为政的情况。在太空探索方面,国内好像还没什么人在做。希望能够在这个领域当中,大家一道共同推进,这是个机遇,机不可失,时不再来。