假设核聚变电站能够自持了,将其能量转化为电力的方式,是烧热水好呢?还是在人造太阳周边铺设光伏面板?
更新于:2025-04-17 04:46:15

无论题设的核聚变电站进行的核聚变可不可控,题述的“烧热水”的能量转换效率要命地好于“铺设光伏面板”。二者不适合并列比较,光伏面板应该去找块豆腐撞死。

喜欢的话,超临界二氧化碳热机可以代替超超临界水热机来搭配核聚变发电。这对效率的提升不大,不一定有必要。

对于正常供电需要的装置规模,靠电磁感应之类听起来更高端的方法发电并不会提供比“烧开水”更高的能量转换效率。

光伏方面:

  • 1954 年,美国贝尔实验室开发出基于硅 p-n 结的太阳能电池,能量转换效率约 6%;
  • 数十年来,量产太阳能电池的极限效率约 27%;
  • 单结光伏器件的理论能量转换效率极限约 33.7%,这涉及肖克利-奎伊瑟极限。
  • 2024 年,双结光伏器件在实验室达到了约 33.9% 的能量转换效率,这种器件尚未有量产的计划。

核聚变装置的主要输出不是电磁辐射,将电离辐射的能量转换到电磁辐射里会产生大量的废热损耗。

对于可控核聚变发电,聚变等离子体将热辐射和非热辐射(氘氚聚变产生的能量约有 80% 被中子从等离子体中带出来,中子击中容器壁后动能转化为热能)传递给容器壁和一次冷却物质。可以用现有金属材料建造容器壁,在容器壁内循环冷却水或其他一次冷却物质。不过,应对中子辐射导致的内壁劣化的方案目前还在研究。

将聚变等离子体放出的热比较高效地导入热机在目前技术下并不困难。一次、二次冷却材料都用加压水的场合热效率约 41%,熔盐做一次冷却材料、超临界二氧化碳做二次冷却材料的场合热效率约 42%,诸如此类。“烧开水”的超超临界热机的技术性能并不比听起来更高级的机组落后多少。

总之,容器壁接收的热量用来产生蒸汽,通过成熟的涡轮机与交流发电机对外发电。

示意图如下:

理想的托卡马克装置对温度、真空度、超导、内壁辐射吸收的要求经常超过现代材料科学的能力范围,这方面还需要研究。但一般考虑,让它发出电来并不需要全面满足条件。

国际热核聚变实验反应堆(ITER)的结构示意图如下:

当然,你要追求长时间安全运转的话,就连支撑超导磁体的材料都是个问题:在工作状态下的受力条件、启动和关机的瞬间的应力变化、出现异常时的受力、辐射造成的材料劣化都可能导致意外。

不可控核聚变发电,也就是核爆锅炉,可以在足够大的封闭空间内将热传递给熔融金属或熔融盐,这些物质再将热传给超临界水或超临界二氧化碳。

苏联的核爆锅炉示意图:

能搭配核爆锅炉的现代超超临界发电机组的发电效率可以达到 44% 至 47%.