如果可控核聚變實現了,人類可能會更加謹小慎微地使用能量,因為我們的文明還不足以逃脫地球生態的自然選擇,破壞地球的平衡意味著災難甚至是滅亡。
如果能達到卡爾達肖夫指數的2級文明(2級文明能夠利用行星所圍繞的恆星所有的能量),但實際上我們離達到1級文明(1級文明能夠利用行星的所有可用能量)還有幾百年。
核聚變如何釋放能量
聚變產生的能量來源於兩個輕的原子核融合為一個重原子核時產生一點點的質量虧損,而這損失的一點點物質會變成巨大的能量釋放出來,釋放的能量是光速的平方倍(質能方程E=m*C^2)。
由於原子核都帶正電,互相之間有靜電斥力,在一般條件下核聚變是不會發生,只有在超高溫、超高壓的條件下才會發生。這樣說小夥伴們可能很難想像核聚變的困難程度,目前人類已知熔點最高的鎢只有3000多度,而核聚變想要發生溫度需要達到數千萬攝氏度,所以氫彈都是用原子彈引爆的,先通過裂變達到聚變的條件,再通過聚變放出更大的能量。
1968年蘇聯公布了一種基於託卡馬克構型的磁約束核聚變裝置,其內部的燃料可以達到驚人的800萬度。
把核聚變燃料做成等離子體(即原子核和電子分離都可以自由流動),再用超強磁場約束等離子體,讓它們懸空高速旋轉而不跟容器直接接觸就不會燒穿容器。點火時採用慣性雷射約束點火,即點火時先把聚變燃料放在一個彈丸內部,再用很多束超強雷射照射彈丸瞬間達到高溫,彈丸外壁蒸發掉並把核燃料向內擠壓。
自此,各國都開始紛紛建造自己的託卡馬克裝置,磁約束核聚變才開始走向研究正規。
託卡馬克裝置的最大難題是慣性雷射約束點火和磁約束相互矛盾
聚變燃料如果處於靜止,就很難不把容器燒穿;如果處於運動中,聚焦點火又變得困難。這就是可控核聚變難度如此大的原因。目前最先進的超導託卡馬克裝置核聚變持續時間也只能達到分鐘量級。
由35個國家合作在法國南部建造的世界最大的託卡馬克磁聚變項目ITER,集成和組裝超過一百萬個組件(一千萬個零件),ITER建設始於2013年,2015年建造成本已超過140億美元,預計將在2021年完成建設階段,並與2025年開始等離子體實驗,2035年開始進行全氘 - 氚聚變實驗。
通俗一些講就是到目前為止人類依然在可控核聚變的門檻外徘徊,似乎一隻腳已經跳到門檻裡,但距離真正的可控核聚變一直都還有50年(凍住了)。
綜上所述,核聚變很難實現小型化,只能轉化為電能、熱能等形式向外輸送。耗費這麼大人力、物力、財力、產地的工程所產生的電可能會比現在的電更便宜嗎?但它確實可以永久性地解決地球上的能源問題,因為核聚變不會像裂變那樣產生輻射。
為什麼過度使用能源會破壞地球的平衡導致災難甚至是滅亡
更多的能量,就意味著更多的高溫和低溫,這樣會導致地球不可控的升溫,雖然地球也在不斷地向外散發熱量,但地球還有大氣層保溫。
這種影響就像25億年前能釋放氧氣的生物快速生產從而導致氧氣大災難一樣。
地球的環境要保持有序,從根本上說,還要保證「熵」不至於太大。所以,在獲得大量能源的同時,還需要提高地球的散熱能力,或者減少太陽的輻射輸入。
「熵」是一個抽象的通過運算推導出來的量,其物理意義代表系統的無序程度。比如:蠟燭燃燒、冰塊融化、酒精揮發、食物糜爛等都是熵增加的過程。而與之相反的過程是熵減。
舉個例子:
火力發電過程是:燃料化學能→蒸汽熱能→機械能→電能,通俗一些講就是燃料的燃燒產生熱能來加熱水,然後再由水蒸氣推動發電機來發電。在在這個過程中,熱能轉換成電能的效率只能達到39%左右(燃油汽車的轉換效率不到30%)。
其中有相當一部分的能量在轉換的過程中被耗散掉了,變成了震動、噪音、熱輻射等等,這部分在轉換過程中耗散的、無法再利用的能量就是「熵」。
總結
由此可見,文明的發展除了解決能源問題之外,還要尋求與我們賴以生存的地球和諧相處之道,至少至今我們還未找到適宜人類生存的第二家園。