仿星器（Stellarator）& 托卡馬克（Tokamak） 核 融合

[peter]

 仿星器（Stellarator） & 托卡馬克（Tokamak）

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比氘氚核融合還要更乾淨，科學家稱找到「氫硼融合」
 https://technews.tw/2017/12/18/hydrogen-boron-fusion-laser-driven-energy-radioactive-waste/

Technews 科技新報- 雖然目前技術只在實驗模擬中得到證實
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世上主流的核融合是取氫的兩種同位素氘、氚做為燃料，於實驗反應爐中以高強度磁場約束住電漿，以將物質不斷加熱到上億度促成核融合反應。但最近有科學家提出另一種替代方案，是以高強度的雙雷射光束驅動「氫硼融合」，不只完全不會產生放射性廢料，可能還有機會比氘氚融合更早實現商業化反應爐的建設。科學家努力研究如何在地球上控制核融合已逾半個世紀，目前主要找到幾種可控制核融合的方法為「雷射約束（慣性約束）核融合」和「磁約束核融合（托卡馬克）」。世上最大的實驗性托卡馬克反應爐目前正在建設中，為國際熱核融合實驗反應爐（ITER），位於法國南部，利用原料可直接取自海水的氫同位素「氘」來進行核融合。在托卡馬克環形腔中，物質被高強度磁場不斷加熱到上億度（太陽核心溫度的 10 倍）以達核融合目的。

這是目前看來最可行的核融合方法，只不過現階段許多托卡馬克裝置產生核融合反應後，極短時間內就要關停，以免機組因高溫毀損，所以實驗性托卡馬克裝置只有研究價值，無實用性，是否能商轉的關鍵在於托卡馬克內壁材質的高溫承受能力。

有別於依靠強電磁場將燃料加熱到太陽溫度，由澳洲新南威爾斯大學物理學家 Heinrich Hora 領導的一個國際研究小組現在提出，利用兩束快速爆發的強大雷射已經可以實現「氫硼融合（hydrogen-boron fusion）」，有別於燃煤或核能最後是透過加熱液體來驅動蒸氣渦輪機發電，由氫硼混合物產生的能量會直接轉化為電能。



氫硼融合反應示意圖。

此外，氫硼融合不會產生中子，這意味著反應不是放射性的，不會產生任何放射性廢料。不過氫硼融合有一個巨大障礙擺在眼前──它需要高達太陽核心 200 倍的溫度，接近 30 億 ℃。Heinrich Hora 聲稱，這個障礙隨著雷射技術的進步將不再是問題，經過一系列實驗表明，拍瓦級（petawatt-scale）的高強度雷射脈衝可在 10E-12 秒內產生千兆瓦的功率，以精確的非線性力將原子核壓縮在一起，引發「雪崩式」融合反應。

[peter]

https://www.zmescience.com/science/hydrogen-boron-laser-fusion-15122017/
http://spie.org/newsroom/5965-clean-boron-fusion-using-extreme-laser-pulses?SSO=1

Clean boron fusion using extreme laser pulses

Heinrich Hora

Figure 1. Schematic of proposed laser-driven hydrogen-boron fusion, which generates energy and insignificant levels of radioactivity. Laser 1 produces a 10-kilotesla field, which is sustained for about a nanosecond after being generated, trapping the hydrogen-boron fuel in the cylindrical axis of a magnetic coil. A 30kJ picosecond pulse from Laser 2 induces plasma block ignition6 in the fuel and the resulting fusion burn releases alpha particles (helium nuclei). The central reaction unit is charged to −1.4 million volts relative to the wall of the sphere. This potential difference stops the alpha particles, converting their kinetic energy into more than a gigajoule (280kWh) of electric energy per shot.10

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https://spectrum.ieee.org/aerospace/space-flight/a-fusion-thruster-for-space-travel
Fusion Thruster for Space Travel



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hydrogen-boron fusion

[peter]

英國核融合技術突破，ST40 反應爐溫度達攝氏 1,500 萬度

https://technews.tw/2018/06/12/uk-nuclear-fusion-st40-reactor-15-million-degrees/?utm_source=fb_tn&utm_medium=facebook

為了在地球上打造可與太陽比擬的受控能量，各國如火如荼發展核融合技術，其中英國核融合公司托卡馬克能源（Tokamak Energy）近日稱其 ST40 反應爐溫度突破攝氏 1,500 萬度，溫度已與太陽核心相當。該反應也就是所謂的磁重聯（magnetic reconnection），透過釋放能量形成環狀電漿，電漿相互碰撞後磁場便會重置，被認為是太陽釋放能量的方式。目前該公司已經成功將電漿加熱至 1,500 萬度，最終目標則是將溫度提升至攝氏 1 億度，以便在 2025 年打造工業用設備，2030 年達成商業核融合與投入電網。

核融合設備主要分為托卡馬克與仿星器，兩種設備都設計於扭轉磁場並控制內部電漿。托卡馬克外型像是一大塊甜甜圈，利用環形容器穩固電漿，仿星器則長得比較像髮圈，用複雜且低功率的磁線圈穩定電漿。Tokamak Energy 則採用更緊湊（compact）的球狀設計，宣稱其電漿壓力比傳統托卡馬克設備更高，且可用高溫超導磁體控制電漿，再轉換成可用的能量。

Tokamak Energy 執行長 David Kingham 表示，世界需要豐富、可控、乾淨的能源，而團隊商業計畫建立在強大的科學基礎上，這一里程碑也驗證緊湊型球狀托卡馬克的實力，並以私人企業的靈活性朝商業核融合邁出一大步。

Tokamak Energy 至今已籌集 4,000 萬美元，稱其小規模設備是逐步達成目標的關鍵。與其他核融合技術相比，ST40 的大小與一般的箱型車差不多，且已經是該公司第三代核融合設備，Tokamak Energy 第一台設備 ST25 於 2013 年建成，並在 2015 年打造第二台，希望能夠在 ST40 後期將溫度提高到攝氏 1 億度


WIKI   托卡馬克（Tokamak）
https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E6%89%98%E5%8D%A1%E9%A9%AC%E5%85%8B

托卡馬克（Tokamak），又稱環磁機，是一種利用磁約束來實現磁局限融合的環性容器。達到穩定的電漿均衡需要圍繞環面移動的螺旋形狀的磁力線。


https://zhuanlan.zhihu.com/p/22256715


WIKI  仿星器 （Stellarator）因模擬恆星內部持續不斷的核融合反應而得名
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%BB%BF%E6%98%9F%E5%99%A8
是以磁場約束核融合電漿，穩定運行提供動力的實驗裝置 
  此種裝置在二十世紀五六十年代的可控核融合研究當中十分普遍，但是由於七十年代托卡馬克有重大進展，仿星器研究曾一度擱置。近年來由於托卡馬克研究中的一些問題，仿星器的研究逐漸再受重視


 磁镜（Magnetic mirrors）
https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_mirror

[peter]

https://www.zhihu.com/question/27887855

托卡马克的环形螺旋磁笼产生需要等离子体电流，仿星器不需要，直接通过外部线圈产生扭曲的环形磁笼。

可控核聚变难点在于聚变的产生与聚变物质的约束方法。产生就不说了。

地球上公认可行的约束方式有磁约束和惯性约束。
 

https://technews.tw/2018/06/12/uk-nuclear-fusion-st40-reactor-15-million-degrees/?utm_source=fb_tn&utm_medium=facebook
托卡馬克外型像是一大塊甜甜圈，利用環形容器穩固電漿，仿星器則長得比較像髮圈，用複雜且低功率的磁線圈穩定電漿。Tokamak Energy 則採用更緊湊（compact）的球狀設計，宣稱其電漿壓力比傳統托卡馬克設備更高，且可用高溫超導磁體控制電漿，再轉換成可用的能量。