2018燧人计划——关于可控制核聚变

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　　摘要：本文提出并在理论计算上验证爆炸动能可用工程约束，进而推定核聚变能量是可以用大工程手段被约束并加以利用发电的。从理论上否定“核聚变只能引发氢弹爆炸，却不适用于核聚变发电，因为电厂不需要一次惊人的爆炸力，而需要缓缓释放的电能。”这个教科书上的著名定论，证明现代低当量核爆炸的动能破坏力与现代人类爆炸约束工程能力之间有巨大的交集空间，若仅能证明只有一个交点或交集很小，这样的设想从工程角度来讲也是不成立的。与通常的基础理论研究论文不同，本设想不试图发现新的物理学基本原理，它的目的是对我们所提出的物理工程概念进行论证。
关键词：受控 核聚变 发电 热核
前言
严格地说本文不是一篇核物理基础理论研究的文章，它是探讨核能利用的文章。文中提出的观点会有很多不够精确的计算（多数以物理上限为基准），模型方案是比较“粗”的方案，与最终可能实施的真正设计有着很大的距离，这与我们在核物理方面的数据、理论水平和经验欠缺有关。但本文总体的科学逻辑我们自己认为是比较严谨认真的，文章也为未来的研究提出了一些可能的方向。计算过程因篇幅所限未全部列出，数据结果都是从物理教材及公开文献中找到的数据计算得来的。
这是以本人2003年自然科学基金申请报告为基础写的，当时基金委以‘美国人都不这么干’、‘还不如用煤发电’等等有趣理由加以拒绝。实话说，如果我是中国有关刊物主编，也不一定会支持刊载这样的文章，但也确实不好找出什么科学依据来反驳文中的论点。之所以这时才在网络中发表，一方面这里有一个比较宽松的学术环境，另一方面也是在广泛征求多方专家的看法之后慎重起见。
本方案在计算时没有把核能量与常规能量作本质区分——在我来看核能无非是大6至8个数量级的超级能量团，这也许是本方案最可能出现问题的地方，方案中会有很多不精确的地方。在此发表此文以抛砖引玉，找出方案的问题所在，我的观点是对还是错都是正常的学术探讨（自己坚信是正确的）。武汉物理所的原子物理学家雷体仁研究员在相关的物理学知识方面提供了全面的帮助，我所熟识的物理、（专业）力学、（专业）热工、爆炸、地质工程、建筑工程诸方面的专家对方案也多持谨慎或全力支持态度。在方案的推演过程中受到了学校各相关部门领导的支持，在此向领导和专家致以最诚挚敬意和谢意！;
受控热核聚变是人类梦寐以求的“终极能源”，得到了它人类就得到了永远的光明，从此不会有能源危机了。氢弹爆炸后的半个世纪，全世界科学家和大国政府在这个问题上投入了不知多少金钱、时间和智力，但总是不得其解，还出了很多笑话、骗子，但核技术的进步从来就没有停止过。要让太阳在人造的炉子里燃烧实在是过于勉为其难了，还总给人的感觉是就差那么一点点。与裂变不同，到目前为止实际中的持续、稳定、可控的聚变反应只存在于宇宙空间的恒星燃烧，连木星这样质量的星球都无法成为一颗恒星。低速裂变——同位素衰变在地球上实际是普遍存在。裂变反应可以在低温下可受控制地自然发生，而聚变反应只能在超高温、超高压条件下发生。“托卡马克”是试图用电磁场的物理手段解决不间断的超高温、超高压条件可控小聚变，从而实现连续聚变。太阳总是“想”以最快的速度爆炸燃烧，它实际上就是在爆炸。站在旁观的立场看，聚变是恒星能量，裂变是行星能量。人们还在大量投入资金进行“受控聚变”的研究，试图实现低能量（对核爆而言）连续输出，甚至于试图找到核聚变反应的“新”条件，从理论上来讲这是逆“道”而行。
;我们认为以目前的技术条件完全可以实现“受控热核聚变”！在五十年的实践无法达成目的后，何不另辟蹊径换个思路来考虑问题？教科书上总有一句话：“核聚变只能引发氢弹爆炸，却不适用于核聚变发电，因为电厂不需要一次惊人的爆炸力，而需要缓缓释放的电能。”好象已经成了定论（这里不是定理，定理在一定条件下是真理）。我们认为否！其实各核大国早就已经掌握了“受控热核聚变”的相关技术——地下核爆炸，它实现了“受控热核聚变”的一切目标——聚变、受控、能量受约束地缓慢释放，只是其中的释放是无条件释放，无非就是打个“地炉子”——人类最古老的用火形式，这个炉子又深又大又结实。爆炸、取热、发电直到冷却再进行下一次爆炸——发电循环。内燃机不也是从汽缸里一次次地进行“受控爆炸”中获得能量吗？这个思路到此为止几乎可以肯定应该有科学家设想得到，没什么不可理解的，如此巨大的能量被埋在地下科学家是不会不动心的。把地下核爆炸的条件引入工程之中完成“受控聚变”发电应该是有可能的。
几万吨甚至更多燃料一瞬间燃烧光之后的能量几乎全焖在地下一个原点附近，这本身就是个令人激动的事实。与天然地热矿相比，热源明确不用找矿，但它毕竟更象“矿”，能源利用效率非常低下，其能量的绝大部分以不同的形式耗散到围岩之中浪费掉了，很不经济，且激波动能无法实现有效的有益化转变，是有害能量。
解决方案：
液体或半液体介质单炉方案
以工程手段在地质条件稳定的（比如花岗岩）地区建造深300-1000米的足够巨大的地下（半地下）封闭筒型水罐，此水罐罐体直径为120-300m（内部尺寸），罐体材料设想在经济技术条件理想的范围内选用（无非就是——钢铁、钢筋混凝土、火山浮石、工业陶瓷之类常规隔热、耐高温之建材），在其中灌入几百万上千万吨水（或掺有固态物的水），罐体上部要留有足够大的空间充以二氧化碳或氢气（保护钢铁不至于被氧化），以上这些数据都是人类工程技术所能及的，开挖一个深千米、直径300米的大坑，以现在的工程手段是毫无问题的（南非金伯利矿坑深2000m），其支护圈厚度占直径的十分之一在地下工程中就是非常牢固的厚度了。工程的规模应根据实际情况设计，如聚变爆炸当量、点火形式、电厂目标规模、点火核污染最大可容忍度、经济技术合理性、工程条件等等。也可以认为，这个方案是在进行“有序化控制地下核聚变爆炸能量”，62.05米是1000000吨水的“球体”半径，是已公布的“中子弹”1000吨当量TNT的1000倍水重量。如此巨大的工程只有我国这样的大陆大国才有可能建设和享用，日本那样的发达小国是没有这个使用需求空间的。我们中国向来就有建造巨型工程改良国家环境的传统——都江堰、长城、大运河、三峡工程、南水北调、青藏铁路等等等等，无一不是突破前人想象的巨型高难度工程。
根据需要不断地在“罐”中引爆‘中子弹’。就可以最终达到从罐中取热发电的目的。我们可以称这个罐为——地下式中子锅炉。其功率的输入输出从理论上讲非常容易控制，水温低时引爆能量提高水温，功率输出可以通过阀门（泵）自由方便控制，能量的输入输出由中间介质‘水’隔离。所需巨大的地坑可以直接利用废老露天矿坑回填，或选择某种有利地形如山坳、自然深坑或排干一个深水环山微小海弯（如果有的话），这样可以最大程度地保护环境减少土石方工程量，如果有一个死火山口这是最为理想的大坑了，它的稳定性、牢固性和保温性都是上乘的，当然在没有条件的地区也可以专门人工开挖（我们怀疑真到建造时是否还需要那么多的电站）。水可以用。海水，“中子锅炉”对水的要求不是很高，取热用成熟的双循环技术。
以上的聚变爆炸如果解决不了外源裂变核扳机点火问题，我们应该设计目前裂变电站采用的双循环热交换系统，但与目前的核电站放射性废料相比接近于无，污染水平在点火条件相同时与一次点火引发的聚变当量成反比。这样的中子锅炉是越造得大越好——裂变当量比例越低越好。这将会带来四大好处
a:核污染与产出能量比例下降，
b:热能耗散水平下降，
c:工程、材料费用与能量的投入产出比提高，
d.聚变能占比例越大，能量成本越低。
这个大当然是在人类可以完成的工程能力水平以内，而且不能是不惜一切代价的投入，在可靠的基础上照顾经济、需求规模等等因素的理性设计。这个工程如此之大，也许要经过几年、十几年时间施工，这期间核军工科学家可能已经解决了绝对的“纯聚变”爆炸问题。
我们设想的方案思维出发点是：科学回避不了的聚变爆炸问题，就不回避转而用科学与工程相结合的手段面对它进而解决它（其实工程也是科学的一部分）。具体对本设想来说就是，人类可以造出的最大抗爆炸工程的抗爆炸能力与最小核聚变爆炸动能的冲击波破坏能量存在着巨大交集空间，在此思想之上建立起来的能量收集系统工程是可以完成聚变发电的目标的，这一点与教科书上所说不同，在后面我将进行一系列简单理性的分析和合理的设想，证明我提出方案的正确性。目前已知的“受控聚变”方案都是试图把聚变控制在连续燃烧或爆炸小到在人面前（“小”机器内）都不会产生问题的水平上，而我们的方案是让已知的聚变核爆炸在可以造出的巨大的工程内完成，用工程来控制聚变能量的外泄，“大”还有一个付带的好处：其中的热能不易自然耗散，存能能力强，而且极易于人工提取。已知大气中中子弹爆炸，其冲击波及热杀伤半径仅不足200米，中子杀伤半径仅800-1000米；一个大气压下水的密度为空气的800倍，100米深水之下就更大了。我们设想的工程是一个水深可达300-500米的深水大罐，这点能量对“中子锅炉”罐体结构不会构成任何影响，只有万分之一到几百分之一的装药、有巨大弹性空隙的大炮可能炸膛吗？汽车的汽缸也几乎没听说过被内燃气体炸坏的（除非是假冒伪劣）。在我们这个设想中提到的最小容积下——300米坑深、120米直径，1000000立方米水体，数百万立方米上部高压气体空间，水中引爆一颗1000吨TNT当量的军用中子弹，其总能量仅够增温不足1℃！若以这样的配比关系建立电站，要达到发电水平，需引爆300次甚至500-600次以上的千吨级核爆，“中子锅炉”才勉强进入了发电温度，这叫启动。这只是我们设想的一个极端安全的模式以说明系统的安全性和能量输出可以达到的平稳性，如果计算下来这个比例还不够，还可以再放大几倍到十倍！中子弹爆炸中能量的主要表现形式是快中子，爆热能和机械能在整个能量表达中只占不足总能量的30%，在机械系统中“内燃机”是专门追求机械能的设备，启动时冷机器达到40%的能量转换就很了不起了，而封闭在“中子锅炉”中的能量，主要是热能，少量的化学能、核能（污染），且我们还要对机械能进行一系列有益转化，外泄的主要形式可能是物质震动波（比例会极小）、极少量穿透巨大水体和炉壁的快中子能（它们最终还会在壁体近处转化为热能）。
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静力学分析：
设中子锅炉地下深H=1100米，地上高h=200米，内径r=300米，炉顶空腔加100个大气压。
通常岩石体以约2.5吨/m3
某深度围圈内外的压强差为P=(2.5-1)×H×0.1-100，这个压强差要炉壁围圈及岩石自身的应力来平衡、抵消。在最深水1000米处引爆数千吨级核爆炸，其爆炸冲击波的压力作用于炉壁，还不足以消除岩石向内的预应力。水下650米左右是结构应力平衡的位置，这个深度炉壁主要只是材料本身受到的深水压力，结构方面受力很小。也就是说，在这个深度以下炉体主要考虑“顶”——对围岩的支撑；在这个深度以上炉体主要考虑“箍”——对炉内高压的约束。平衡位置以下的一定区域在爆炸过程中有一些应力方向变化，这对坚固的炉体、围岩来说算不了什么问题。
大跨度封顶的问题，我们作了一个初步的设想，强度没有问题。罐中要灌水，且罐顶空间要加压至100个大气压。在这样的条件下，罐体直径实际上还可以加大一些。长江上公路铁路两用桥梁的跨度比这还要大(400m)，它们还是单拱支架结构，实际上桥梁早已经达到1000m以上的跨度（悬索、斜拉结构），正在设计的有3000m的桥梁，理论上讲大跨度钢铁建筑的‘极限’跨度就是两点间横拉钢索的‘极限’距离。这太大了！
只是在200个大气压300℃的水体环境中，让中子弹定点爆炸，其机械系统的设计制造有一定的困难，且系统的维修也将是一个难题。但这种困难应是可以克服的。
在这个环境中，水深1000米加100个大气压的条件下引爆炸弹，从静态力学分析的角度来说，就相当于800米的地下核爆炸。固体在核爆炸瞬间条件下的性态与液体有点相似。与“托卡马克”装置相比较，这个系统中也有用能量约束能量的部分——上部空间的高压，实际上是用气体的压缩势能模拟深水（地下）状态去约束核爆炸的动能，而且在容器安全的前提下，这个压缩气体能量封闭在炉膛内，能量的大小比较容易调节控制。这样我们的系统就具备了两方面的能量约束条件：
a.;大物质约束——保证了巨大的能量包容能力和巨大的能量缓冲体：水。这里的水起到了内燃机中活塞、飞轮作用，还起到了抗爆炸软垫层的作用，这个特点是“托卡马克”装置不具备的，尺寸有限的“托卡马克”装置，线圈的能量容量不可能无限大，这是物理学常识，这是为什么五十年代提出，到现在还认为再要“三十年”的原因之一，也许超导体实用水平再提高几个层次后，就可以彻底解决这个问题了。水体根据需要，可以精心设计。
b.;大能量约束——大大压缩了核爆炸能量在水中的杀伤半径提高了锅炉抗爆炸容量：高压气体。这里的高压气体起到了类似“托卡马克”装置中线圈的作用，协助巨大水体把爆炸空心球的半径进一步压缩到合理的水平。高压气体就是给这个大汽缸的大活塞加装了一个大弹簧。它可以减少水的用量、提高水加温速度、提高水的沸点（液态贮热容量）、大大缩小土石工程量。
这样从能量代换的角度出发：“托卡马克”是用了巨大的电磁能量进行核能量的约束；我们的设想是用巨大的压缩气体空间配合巨大的水体进行核爆炸能的约束，大空间气体的压缩过程就是“核爆炸约束专用能量”的聚集过程，就象“托卡马克”装置的线圈加电过程。其实“托卡马克”装置和中子锅炉都可以找到能量的表达，只不过表达方式不同而已。“托卡马克”避开了脉冲能量产生的激波，但‘力’的产生一克也不会小。在材料、工程地质条件许可、工程经济合算和绝对安全的前提下，建造深千米级内半径百米级的炉子，上部空间膛压在100个大气压之下，这样的中子锅炉其抗连续核爆的容量也许可达到万吨级——也就是说2100年时，我国全国的能耗总量也许还用不完这样一个炉子的最大能量输出能力！鉴于高压气体在本方案中的重要地位，电厂系统的设计中必需把它的生产考虑进去。气体压力与巨大水体对核爆球的约束贡献，在具体设计时根据需要进行计算。
以上数据是以设想工程的上限为据计算的，以后的计算将以设想工程规模的下限为据。
介质、介质形态分析：
是否可以不用水介质，仅在中子锅炉中充以高压气体呢？我们认为不行，只对压缩破坏性高温球体半径而言，高压气体只是在一定的“纯”状态下（介质对动能没有任何衰减作用）有相同的约束半径。这个“纯”状态是不存在的，与气体相比，水有巨大的质量、巨大的抗压缩弹性；与气体相比这个特性对约束高压高温爆球的半径而言，约束能力要高出非常多倍（此处暂时没有计算），对于冲出“高压球体”的动能（就是介质中的动能波），气体与水因密度不同，水的衰减能力也是大大高于气体，高压气体约束没有水可以起到的巨型惯性活塞作用。同时对非动能核爆炸能量（主要是超高能快中子辐射），水是理想的热能转换介质，气体在这个性能上与水无可比性。与气体相比，水是极好的热导体与贮热介质。
可否用其他液态材料呢？从“纯”力学角度来讲，水不是最好的爆炸约束介质——汞、高温液态铅、锡等等，大比重液态金属的动能约束能力也就是惯性都大大高于水，但它们在自然界的存有量无法与水相比——根本无法找到这么多的材料；更重要的是，水在核爆炸快中子辐射条件下的原子稳定性，大大高于重金属——水只发热，而重金属在快中子轰击之下会发生原子级变化，如“铅”原子受快中子轰击之后产生放射性“金”同位素，这个“金子”没法在金融市场上出售，重金属若真用于核爆约束，会降低热能生产，多产出一些放射性污染。水是最好的中子锅炉基本介质。
当然，若以水的“本性”来看还是有一定缺陷的，水的可压缩性远不及气体，粘滞性远不及沥青、淤泥，但我们可以改造“水”这个介质，使之成为我们所需要的介质。例如，我们可以让水中“溶”入大量的“碳”微粒，构成清淤泥状“超浓墨汁”，在介质底部不断地充以二氧化碳或氢气体，构成高压环境下泡沫丰富的超饱和气体溶液。核爆时，因第一时间是快中子射入水体，此时会有大量气体析出使气泡扩大，气泡的多少取决于水压和水体能量，在爆轰波与冲波到达以前，水体中会出现大量气泡形成“海棉”状水体，它对“波”动能的衰减和钝化是有很大作用的，在波能量到达炉壁以前尽可能多的衰减与钝化是我们的主要目标，“空腔”之外还有20米以上的水体厚度、68万吨以上的水，这为我们做消除与转化动能的文章留下了足够的空间。水气混合体应该是隔绝与转化波动能的理想介质形态。这很好理解——泡沫材料是隔音、隔热材料的常见形态，波能量不易在不同介质中实现跨介质传播，波动能折损很大，转化为无害有利的热能。从波的常识出发，水中很多气泡或气泡团的直径应大于冲击波的波长为佳，这样的大直径气泡应足以多层次包围爆点。类似这种混合介质的抗动能设计，人们其实早已广泛应用了，最强烈的常规抗动能手段也许是现代坦克的复合装甲和间歇装甲——只那么一点点空间距离就要完成对抗那样高度聚集的数以兆J计的动能破坏。我们设想的这个方案，能量虽然十分巨大，但它的动能波不是聚集而是以大球面形态扩散开的，球体边缘动能密度比反坦克动能穿甲弹要小几个数量级。由于不同介质的弹性模量不同，弹性压缩波在混合介质中的传递必然是一个复杂的过程，不可能是一下子全部表达到介质的另一面。
作为介质，‘水’与‘气’各有优缺点。由于‘水’一般被视为不可压缩的，以此不难推定，水中的激波能量在总体能量中的比例不会很大，但密度很高、压强极大——这就解释了我们在水压爆破图象资料中看到的装药量不大，但破坏‘力’大，同时破坏后抛射物动能很小。而气体介质与‘水’这个介质的性质恰好相反。再有就是‘气体’比重越大，形成激波动能的能量比例越大且波长越小波峰越尖锐，假若存在‘没有质量只有压强的所谓理想气体’，这个‘理想气体’里就不会出现激波，所有的能量将是爆炸火球的全部机械能量以‘所谓理想气体’为目标整体压缩，‘氢’是自然界中最接近‘真空’的物质，如果是高温电离状态下的‘氢’这个特性更加接近‘所谓理想气体’，所以我们把‘氢’作为一个气体介质的选项。其实‘托卡马克’的电磁约束力就是在真空中的高压力。以‘水’与‘气’的混合体为介质，就相互补充了对方的不足，发挥了它们各自的长处，这就是我们认定气泡丰富的‘海棉水体’为最佳介质形态的理由。三峡围堰水下爆破清除工程，也采用大坝一则向水下充气产生气泡，减轻冲击波对大坝的破坏作用，从而保护大坝的安全，在并不算太大的气泡幕的保护下，50%的激波能量被消除。
爆炸发生前的瞬间，在水下通过加气装置在容器的触水面（内壁）充入气体，形成一个一定厚度的‘气垫层’，将大大化解冲击波对结构的破坏力。在容器上部空腔中也要用发电降温循环后的水回注，形成气体介质中的液体混合物，完成与水中气泡相似的作用。炉内形成一个动态的介质体，也可以理解为一个‘常规物质向心惯性能量体’，由于‘向心惯性能量’与爆炸的‘离心’能量矢量方向相反，对解决冲击波能量应是有利的。当然在实际的设计工作中要有完整精确的计算与设计。这些介质控制工作用去总体电能的1%至5%也许就可以了，这些能量的大多数还会还原成介质热能封闭在地下容器中，这是一个设想。现实机械系统中，对令人不愉快的激波早已大量运用了类似原理——内燃机、无声枪械的消声器，它们有用多级空间也有用混合介质，但总的物理原理是一样的，就是运用异种介质的阻波（能）原理把声波动能转化为热能，但它们所能动用的介质一般只会有固态与气态两种以静态方式被动消波，还不及我这个设想来得彻底、方便。如果能开发出耐400-500℃高温的类似橡胶特性的高分子材料，作为炉体的消波密封内垫层，配合其它一系列消波手段（如沙袋、车床钢刨花团、钢铁隔波墙之类），这样对波动能转化为热能是最好不过的了。
在这么大的空间里，把激波的波动能尽可能地转化为介质热能，加上大厚度专门设计的围体。工程的外部实现极低动能外泄，也就是人站在上面感觉不出什么动静或接近一般（裂变）核电站的动静，是有可能实现的。
看来“上帝”在地球上“造”这么多的水是有他的妙用的。这是西人的说法。
作为中国人，实在没法理解西人的那个“BIBLE”，我们的观点是：“人法地，地法天，天法道，道法自然”！万事万物，只要顺应自然，就有可能找到精妙的解决方案。“上善若水”，中国人思想体系的根源是唯物。在巨大的地下水体及空间中引爆核弹收集能量，也合了老子所曰：“万物负阴而抱阳，中气以为和”的思想。