可控核聚變的輸出能量已經大於輸入,那麼現在可以商業化了嗎?

2020-11-22 網易新聞

我們所熟悉的可控核聚變實現方式有兩種,一種是國際熱核聚變裝置ITER支持的磁約束核聚變,另一種是各國自行研究方向的慣性約束核聚變!兩種從原理上來看有很大的區別,但都需要輸入大量的能量作為可控核聚變的基礎都是完全一致的!

上圖是磁約束核聚變裝置的動態示意圖,當然事實上的核聚變堆也許並不是這種方式運行的,但表現原理並無問題,它存在幾個非常關鍵的結構:

1.約束控制與加熱超高溫等離子體的磁場,即D行空腔的第二層內壁!

2.燃料的等離子體的注入,動圖中在內壁側面注入!

3.內壁兼熱交換結構,將核聚變產生的超高溫從聚變堆內部帶走轉換發電並保持內壁適合溫度

4.核聚變堆灰燼排出結構!

磁約束可控核聚變裝置實現有兩種,一種是託卡馬克結構,另一種是仿星器結構,兩種都是現代可控核聚變的重要研究方向!

託卡馬克可控核聚變裝置內部,這種結構最早是前蘇聯庫爾恰託夫研究所的阿齊莫維齊等在上世紀50年代發明的,託卡馬克的核心裝置是環形真空室,外壁纏繞超導線圈,通電後會產生螺旋形磁場,完成等離子的加熱以及控制約束的目的!

另一種則是仿星器,仿星器最早是由美國理論物理學家、天文學家李曼斯·皮策(Lyman Spitzer)在上世界50年代發明並建成,其實兩種磁約束的經典結構最早時間都差不多!但兩者真空室結構不一樣,它的規模要比託卡馬克要小一些!但託卡馬克在等離子體磁場建立過程中可以調整磁場以約束磁場而仿星器則完全依靠安裝精度!而且仿星器的磁場扭曲結構並非軸對稱,因此仿星器的等離子體約束難度要比託卡馬克難得多!

儘管仿星器與託卡馬克都有一大票支持者,當然託卡馬克裝置更是有ITER的支持!不過無論哪家都沒有一家在這個可控核聚變的道路走到商業化的程度,其原因不外乎等離子體的溫度不夠高,約束的時間不夠久,商業化的門檻大約是一億度,1000S,我們現在走得最遠的大概溫度實現了一半,時間則在1/10-1/5左右,儘管最近以來的進展比較快,但仍然有很遠的路要走!

還有一種與磁約束完全不同的結構則是慣性約束核聚變裝置,這種理解起來比較簡單,用幾十到束雷射轟擊中央的燃料靶,高溫高壓以達到核聚變的目的!

與各位理解的不一樣雷射束並不是直接加熱燃料的,而是採用一種山圖的間接的方式,不過到現在為止慣性約束遇到的難題並不比磁約束小,一是數十束超高能雷射束的雷射裝置,另一個燃料加熱後的外層等離子體影響進一步加熱,似乎有一種走入死胡同的感覺!

在合肥的中國託卡馬克可控核聚變實驗裝置東方超環,當然也有執行中國慣性約束研究神光一號二號,我們的進度在磁約束方面甚至還部分領先全球,不過在慣性約束上並無更多的資料披露,我們難以了解進度如何!

當前在可控核聚變領域做到輸出大於輸入並沒有多大的問題,但並不是說輸出大於輸入即可商業化,因為巨大的建設與運行成本並不是那麼一點點盈餘即可應付的,而且不穩定的運行成本則更高,我們要求的穩態的長時間高回報的能量輸出!但似乎看起來永遠都差那麼五十年,不過根據最近的進展來看,還真有可能在最後這個五十年內實現,各位少安毋躁!

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    無論是磁約束還是慣性約束核聚變,都是可控核聚變研究的重要方向,兩者本質上沒有什麼區別,都是控制氚氘等輕元素聚合成重元素的一種方式,但兩者的原理與過程卻大相逕庭,不妨來圍觀一下!但在地球上,如此的高溫或者高壓都難以實現,當然與超高壓相比似乎高溫還簡單一些,所以現在的可控核聚變都是往這個方向上靠攏!儘管磁約束與慣性在實現方式上各不相同,但基本不外乎就是滿足這兩個條件!
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  • 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?
    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。
  • MIT最新研究進展-可控核聚變這是真的要來了?
    作者:佰思科學 |沈東旭 邱亞明我們都知道可控核聚變很重要,如果能邁過這個坎就是人類文明進步的一大步。同時大家也都明白,可控核聚變實現起來很難。就好像譚詠麟永遠25歲一樣,關於可控核聚變有個永遠50年的梗--不管到了什麼時候,你都可以說,可控核聚變還有50年就能實現了。
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    因此,只要裂變能發生,那麼常溫常壓下它就會發生,而如果裂變不能發生,那麼加再高的溫度壓強也不會發生。我們挑選出來造核武器、核電站的都是容易裂變的原子核,常溫常壓下就能運行,所以給人的印象就是核裂變很容易。 問:我們現在到底能不能實現可控核聚變?如果不能,那些核聚變裝置是幹什麼的?如果能,為什麼還不能實用?
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    然而更重要的是核聚變的原料可以從海水中提取,取之不竭用之不盡,而常見的核裂變反應原料鈾235儲量稀少,另外核聚變幾乎不會產生放射性的汙染物,清潔安全也是核裂變反應難以比的。這是多麼令人類神往的完美能源,要知道我們頭頂的太陽就是靠著核聚變反應維持的。
  • 能量的本質是什麼?人類未來能否實現可控核聚變?
    以上就是我們關於能量所知道的事情。我們能用能量做什麼?上文已經說了能量可以用來做功。如果你「推」一個物體,或者對一個物體施加了一個力,而這個物體同時朝力的方向發生了移動,那麼恭喜你!你對這個物體正在做功!
  • 如果可控核聚變實現無限能源,還有建設戴森球的必要嗎?
    為了從根本上突破能源問題的束縛瓶頸,世界上一些國家開始在可控核聚變上下功夫,並且已經取得了重大的階段性突破。可控核聚變的原理在自然界中,最容易實現、所需能量輸入也是最低的聚變反應,就是氫的同位素氘與氚的聚變。與核電站發電所運用的核裂變原理不同,核聚變是在超高溫的環境中進行的,不會產生高水平的核輻射,也沒有核廢料的產生,是理想且又高效的清潔能源。
  • 率先獲得國際認證:中國不斷突破可控核聚變技術
    那麼問題來了,碳12原子中有6個質子、6個中子,它們的質量加起來就已經超過12 amu。這還沒算12個電子呢。質量怎麼不守恆了?現在我們明白,不守恆就對了。6個質子和6個中子放在一起質量減小,是因為它們(統稱核子)結合成原子核時放出了大量的能量。這個能量遠遠大於平時見到的化學能,所以質量的變化(往往稱為質量虧損)十分可觀。
  • 2億度高溫運行,用之不竭的能量,可控核聚變也許還需要50年?
    如果有一天人類實現可控核聚變,也許電費真的可以不要錢,當核聚變可以小型化,用在宇宙飛船上,那我們就可以非常低成本地前往月球甚至火星遊玩,在別的星球上建立家園。這一天何時到來呢?先來說可控核聚變,1932被提出,1950年開始研究,也就說核聚變的歷史和晶片的電晶體一樣,但是晶片已經有了翻天覆地的改變,但核聚變仍舊沒有摸到門檻。
  • 鋼鐵俠的內核可控核聚變技術,人類若完全掌握了,將會怎麼樣
    鋼鐵俠戰衣最核心的一部分是持續能源的供應,而這也是人類現在無法企及的技術。持續能源指的是可控核聚變,一個可控的核聚變需要先進行點燃,然後當其輸出值大於輸入值時才算是成功的可控核聚變。一般科學家們用「q值」來作為這個輸入和輸出的比值。不過,核聚變是目前人類根本無法實現的技術。人類對核聚變後發出的能量轉化,在理論上只能到40%左右。
  • 如果人類實現了可控核聚變,在短時間內會有什麼「魔改用法」?
    先來定義一下,怎樣才能算是「實現了可控核聚變」,核聚變不是隨隨便便就可以點燃的,我們需要先向反應爐輸入能量才有可能從中得到輸出的能量,這裡有一個被稱為「Q值」的衡量指標,它指的是輸出能量與輸入能量的比值,我們可以看到,只有在這個「Q值」大於1的情況下,可控核聚變才會實現輸出能量大於輸入能量
  • 太陽核聚變只要1500萬度,可控核聚變卻要1億度,這是什麼原因?
    稍懂科學常識的人都知道,太陽一直是依靠核聚變源源不斷的產生著巨大能量,我們才能夠得到它的光和熱。太陽中心溫度只有1500萬℃,就可以維持源源不斷的核聚變。可一些科學報導總說,現在正在試驗的可控核聚變溫度達到了1億℃,這又是為什麼呢?為什麼不可以像太陽那樣,用較低溫度實現可控核聚變,這樣不是容易很多嗎?
  • 開採月球上的氦3,對實現可控核聚變有何意義?
    從目前的科技水平來看,我們還無法完全還原太陽內部的核聚變反應,也就無法通過核聚變反應來獲得足夠多的能量。目前包括我國在內一些國家著力研究的可控核聚變技術(即「人造太陽」),還僅處於實驗及技術攻關階段,距離投入大規模的應用還差距甚遠,主要的技術瓶頸就是在特定的磁力約束裝置下,尋找非常耐高溫的材料比較困難,而且同時控制能量輸入輸出比,使其達到最終輸出能量大於輸入能量可控狀態的難度也非常大。
  • 可控核聚變是什麼?將引發第四次工業革命
    量子科技將對經典計算機產生變革,而石墨烯則是因為現在我們所有的電子產品所用的矽晶片的技術現在已經達到極限了 除此之外,因為第一次工業革命和第二次工業革命都是能源的革命,所以許多科學家認為可控核聚變將會帶來第四次工業革命。今天我們就來了解一下可控核聚變!
  • 科學最前沿的可控核聚變什麼時候能實現
    得到的回答都是應該還有30~40吧,40年前是這個回答,40年後的今天還是這個回答,雖然是這樣但可控核聚變依然是科學的最前沿全力研發的重要主題,因為它對我們來說實在是太重要了,為什麼說目前的可控核聚變研究並沒有那麼樂觀,為什麼可控核聚變非常的難,一旦成功了又意味著什麼。
  • 如果可控核聚變實現無限能源,戴森球還有存在的意義嗎?
    隨之核能的出現讓人類看到了未來能量滿足的希望,尤其是來自氘核聚變的能量。在核聚變的過程中可以釋放出大量的能量,並且要比核裂變清潔得多,還有核聚變所需的氚在地球的海水中都可以找到,解決了原料問題。眾所周知,核聚變反應所釋放的能量是巨大的,而可控核聚變也被譽為能源領域的「聖杯」。
  • 嫦5返航,實現量子霸權,可控核聚變放電,中國發生啥大事了?
    從名命就可以看出我們一般都比較低調。那麼什麼是量子優越性呢?我們傳統的計算機誕生到現在已經有數十年的歷史了,比如我們現在使用的筆記本電腦、智慧型手機,甚至現在的超級計算機,它們的運算速度已經非常強大了,完全可以滿足我們日常的需求。但是傳統的計算機在面臨科學問題的時候,其複雜性就遠遠超過了它們的計算能力和模擬能力。
  • 中國可控核聚變技術領先世界,未來依靠核聚變能飛出太陽系嗎?
    核聚變反應按照目前的科學理論,人類能夠實現的能源最高的利用是可控核聚變反應。要了解可控核聚變之前,我們就得先搞懂核聚變反應。我們都知道,原子是由原子核和核外電子構成的,而原子核又是由質子和中子構成的。所謂的核聚變指的就是原子核的融合,也被稱為核融合。
  • 據說我國人造太陽實現一億度,那麼多久才能可控核聚變呢
    雖然一直傳出重大消息,但是離可控核聚變還是很遠。可控核聚變能徹底解決能量缺失問題,是人類的理想。早在愛因斯坦的年代,人們就從相對論中就知道,物體就算質量小也能放出大能量。可是具體怎麼做才能釋放能量呢?然後我們在量子力學中知道原子核的裂變和聚變就可以放出大能量。但是核裂變需要的材料在地球上太少了,而且能量比聚變少,汙染還大,並不是理想中的能源。