人類掌握了可控核裂變,為啥還要艱難開發可控核聚變,有意義嗎?

2021-01-10 時空通訊

簡單的說,就是可控核聚變比可控核裂變厲害多了,好處多多了。而且可控核裂變無法從根本上解決人類發展進程的能源危機,只有可控核聚變才能夠真正解決這個發展瓶頸。

人類對能量的認識和利用是逐步推進的。

在猿人時代,人類的祖先們茹毛飲血,連最基本的能源都不知道。當雷擊引發山火,猿人們從最開始的害怕敬畏,到揀拾品嘗到火中燒烤的野味美味,對火漸漸有了認識,開始知道燃燒的害處和好處,從此開始了人類對能源的認識利用之旅。

千百年來,人們從燒柴草煮飯,到燒煤獲取動力,再到燃油時代,標誌著人類從古代的柴草時代跨入了石化時代,人類文明開始從蠻荒黑暗邁進現代光明階段。隨著社會發展,人類對能源的需求量越來越大,而煤炭、石油等資源都是不可再生資源,這些資源都是經過億萬年的地下演化才形成的,儲量是有限的,用一點就少一點,在一個相當長時期是無法再生的。

這樣人類能源危機不斷的加大,對發現和開發新的更高效能源要求越來越迫切,而愛因斯坦的方程理論應運而生。

質能方程為人類開啟能源寶庫提供了一把金鑰匙。

愛因斯坦狹義相對論最偉大的發現之一就是質能方程,這個理論對質量的屬性進行了新的探討和定義,在人類發現質量守恆的基礎上,進一步推演出了質能守恆定律,指出在一個孤立系統中,所有粒子的相對論靜能與動能之和在相互作用中保持不變,物體的質量就是所含能量的量度,質量和能量可以等價互換。從此,質量與能量有了確定的當量關係。

這個關係的表達式就是著名的質能方程:E=MC^2。這裡的E表示能量值,單位J(焦耳);M表示質量,單位kg;C為光速,精確值為299792458m/s(米/秒),一般取值為300000000m/s。

這個公式的意思是,一切物質的質量中,都包含著同等的能量,質量相等的物質,所蘊含的能量是等價的。也就是說1kg白菜和1kg黃金的質量中所包含的能量是一樣的。

那麼1千克物質等量有多大呢?根據質能方程計算可得:

E=1kgx(300000000)^2=9x10^16J

1千克物質如果全部轉換成能量,可得9億億焦耳的能量,相當於250億度電,或者約2151萬噸TNT黃色炸藥,也就是21枚百萬噸級核彈爆炸威力。

核能源時代來臨,質能利用率得到巨大提升。

人類發現了質能轉化規律後,開始從石化時代走向核能利用時代。在石化時代,能源的利用轉化率是非常低下的,1kg煤產生的熱能只有29000000J,根據質能方程倒算,質能利用率只達到0.000000032%;1kg石油產生的熱能只有41870000J,質能利用率只約0.000000047%。

二戰催生了原子彈,開啟了核能利用的新時代。原子彈是核裂變不可控的利用,一經激發,就瞬間釋放。在廣島爆炸的原子彈,裝藥只有幾十公斤,卻達到了13000噸TNT炸藥的爆炸威力,這是因為在亞原子層次,在核子的鏈式反應過程中,有0.13%的質量會轉化為能量,質能利用率比煤要高出了400多萬倍,比石油高出了276萬倍。

但原子彈的能量釋放一瞬就沒了,而且只能夠起到破壞作用。科學家們通過不懈努力,發明製造了反應堆,這些各式各樣的反應堆能夠使原子核裂變變得慢下來,人們就可以利用這些裂變過程中產生的能量來造福社會了。

一個和平利用核能的時代就到來了,最常見的可控核裂變利用就是現在遍布全球的核電廠。

但核裂變的效率比核聚變要低,且有諸多限制。

這些限制包括,核裂變所需礦產資源儲量有限,開發提純工藝要求高,難度大,且放射性汙染大,廢料難以處理。在核發電站還頻頻發生了核洩漏事故,如1986年前蘇聯的車諾比核電站事故,2011年日本福島核電站事故等,全世界的核洩露事故已經發生數十起,給環境和人類造成很大損害。

而核聚變相對核裂變,是更安全、更環保、更高效的核能利用,理論上來說,核聚變是沒有核廢料排洩和殘留,幾乎沒有任何汙染,且原材料易得,取之不盡用之不竭。

核聚變主要材料是氫的同位素和,氘在海水裡儲量非常豐富,約佔0.003%,全球海水總量約134億億噸,所總量有40萬億噸之多。1公升的海水中含有30毫克,核聚變所產生的能量相當汽油300升。這樣僅地球上核聚變的原材料就足夠人類使用幾十億年了,而且月球上還有豐富的氦-3,是核聚變更好的原料。

核聚變質能轉化率可達0.7%,是核裂變的5倍多。既然有這麼多好處,那為什麼現在人類還不開始利用核聚變能源呢?這是由於:

核聚變門檻高,技術難題一時難以攻克。

相比核裂變,可控核聚變的發生和持續條件非常苛刻,因此迄今為止,雖然有所進展,在實驗室裡面的可控核聚變時間越來越長,能量的輸出越來越大,但要克服的技術難題還很多,目前的技術還遠遠達不到商業化運營的需要。

人類目前還是只掌握了不可控核聚變,也就是氫彈,「轟」的一聲能量就一下子爆發了,這種能量除了破壞作用,絲毫也不能用於國計民生的造福。可控核聚變的難點在哪兒呢?

首先核聚變必須有高溫或高壓。比如太陽核心源源不斷的核聚變是在1500萬度高溫和3000億個大氣壓下維持的,在地球上,人類無法製造出3000億個大氣壓,只能在高溫上想辦法。而核聚變單純依靠高溫,需要1億℃的溫度,才能夠保證其持續不斷的進行。

這樣更大的難題又來了:用什麼容器盛裝這個高溫等離子體呢?要知道,在地球上任何元素在幾千度的高溫中都會被氣化,而這個高溫不是幾千度,也不是幾萬度幾十萬度,而是比太陽中心溫度還要高的1億度。

還有,即便做出了這麼高的溫度,又能夠約束這個高溫等離子體,又怎麼將這些高溫形成的能量輸出成為可用功呢?這就是可控核聚變必須解決的三個難點。簡單的說,就是要實現超高溫,並約束這個高溫等離子體,還要能夠做出功來。

現在實驗可控核聚變實現的條件。

現在找到的約束超高溫等離子體的方法主要有三種,即磁約束、重力約束、慣性約束。目前成功較多的實驗方法是採用磁約束,比較典型的就是一種叫做託卡馬克的裝置,這種裝置就是利用磁約束實現可控核聚變的環形容器。

託卡馬克裝置中央有一個環形真空室,外面纏繞著線圈,這些線圈一通電,就會在環形真空室產生巨大螺旋型磁場,將其中的等離子體加熱到億度的目標溫度,從而達到可控核聚變的目的。

現在世界上一些發達國家都非常重視可控核聚變研究,中國也積極投身其中,成為國際合作研究的重要成員。雖然不斷有好消息傳來,過一段時間就有一個突破,但總體上進展還是比較緩慢的。

目前大致取得的成果為:已經獲得了億度高溫,而且約束這種高溫等離子體從幾個毫秒,到現在最長可以維持1000秒,從過去輸入大於輸出,現在能夠輸出大於輸入,也就是可以做出功來。這些進展已經是本質上的突破,證明了可控核聚變是可行的。

人類對能源能量的認識還任重道遠。

有科學家估計,人類要真正的實現可控核聚變商業運用,還需要30~50年的努力。

到了真正可控核聚變成為社會主要能源的時候,已經擔憂了100年的能源危機就能夠得到緩解,甚至可以說,人類在一個相當長的時期內,已經沒有了能源危機之憂,人類文明將提升到一個新的層次。

這就是已經掌握了可控核裂變,還要繼續研究可控核聚變的原因。而且可以預見,即便掌握了可控核聚變,人類質能轉換的能力還是很低等的,因為質能轉換率只能夠達到0.7%,還有99.3%的質能轉換空間沒有認識和開發。

而且人類隨著文明程度的提升,對能源的需求將會成指數級增長。從本質上說,只有反物質湮滅,才能夠達到100%的質能完美轉換,這期間還有99.3%的階梯需要我們去攀爬。因此人類即便掌控了核聚變,也還有更高層次的能源利用需要去開發,人類只要存在,攀爬就永無止境。

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    我們從什麼地方獲得能量,我們用能量做什麼,以及我們如何處理獲取能量後產生的廢物,這些對我們人類在地球上的未來至關重要。然而,能量是物理學中最令人費解的物理量之一。下面就說下能量的本質,什麼是能量的「聖杯」以及核聚變的未來!能量的本質是什麼?任何學過物理入門課程的人都會遇到這個問題。
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  • 新一代可控核聚變裝置建成,「人造太陽」將要來了
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    最近中國科學界可謂捷報連連,嫦娥取土待歸、九章計算出世、可控核聚變也有重大突破,前兩個都談過了,今天就來談一談可控核聚變,俗稱人造太陽,提到核聚變,許多人自然就想到了核裂變,我也簡單說一說。為什麼要掌握可控核聚變為了解決煤炭石油資源的壓力,同時提高能量的轉化率,人類對能源的渴望愈發強烈。當科學家發現太陽擁有幾乎無窮無盡的能量的時候,他們萌生了一個大膽的想法,在地球上製造出一個微型人造太陽,一勞永逸的解決能源問題。
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    能源對人類發展起著至關重要的作用,自古以來,人類對能源的開發就一直沒有間斷過。從早期的木質能源,到後來的石油,煤炭等化石能源,再到今天的風能,太陽能,水能,核能。可以說,人類對地球現有能源的儲備已經了解的七七八八了,即便如此,也不是所有的能源都是可以被開採的。
  • 有人說如果可控核聚變成功了,一度電連一毛錢都不到,可能嗎?
    按照太陽內部核聚變的激發條件,當兩個輕原子相互的距離非常靠近,達到10^-15米級別時,便會有機率發生量子隧穿效應,一個原子核中的質子會突破原子間的庫侖斥力,進入另外一個原子核中,從而形成新的原子,激發出核聚變的序幕。由於太陽內部具有非常高的溫度和壓力,因此能夠擁有這種環境供核聚變的產生。