人類自從開啟了工業化時代的道路後,先後從煤炭時代過渡到石油時代,雖然帶來了各種生活便捷,但同時也意味著對於不可再生能源越來越依賴,可以說各國經濟發展和現代化進程中必不可少的物質基礎。大到國家國防、工業、建設,小到衣食住行,全都離不開了石油,別看它黑乎乎的其貌不揚,卻被人譽為「黑色黃金」!而且近代大部分戰爭都是因它而起!
不過全球人口仍在不斷增長,對於資源的消耗常年來更是持續上升,看似取之不盡用之不竭的地球資源,正在以驚人的速度銳減,以目前發展趨勢來看頂多只能維持半個世紀。新能源開發已經成為關乎於人類存亡的頭等大事,而核能是目前人類最具希望替代傳統化石燃料的未來能源之一,不過但凡是核有關的問題無論是好還是壞,人們第一反應便是牴觸,對於核輻射的危害性已經被牢牢地刻在了我們每個人大腦當中無法忘卻。
原子雖然能夠產生巨大的能,但是核裂變和聚變都是不可控的,現如今我們能掌握的也就核裂變,但是核裂變會有產生很多的問題,比如存在核輻射汙染等一系列問題,雖然技術在不斷完善,但是對於我們賴以生存的大自然環境的傷害是不可逆轉的,而且核裂變釋放的能量是遠不及核聚變的,如果能夠掌握原子核的可控核聚變那麼能源將不再是問題,同時不會像核聚變那樣產生核汙染。
從上世紀五十年代核聚變的鼻祖託卡馬克裝置開始到現在為止,已經過去了將近七十年,聚集了全世界頂尖科學家但在核聚變的研究尚處於初步探索階段,而且核聚變研究具有前期投資大,工程建設、運營成本高的特點,例如每天僅啟動一次反應裝置的價格就高達10.2萬人民幣,這還算上數以百計的科學家和建造反應裝置的代價。值得一提的是,中國已經在核聚變領域的發展處於世界領先地位。
4月4日,央視報導,中國自主設計的核聚變實驗裝置、被稱為「人造太陽」的東方超環日前取得重大突破,在1億度超高溫度下運行了近10秒。核聚變被視為人類解決能源問題的終極方案,現在的問題就是核聚變技術還不夠成熟,因為引發核聚變需要超高溫度,如何製造、控制這個溫度是個問題,一種解決方式就是超導託卡馬克,利用磁約束控制等離子體發熱實現超高溫。
「東方超環」EAST是中科院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所自主研製的磁約束核聚變實驗裝置,是我國第四代核聚變實驗裝置。也被稱為人造太陽,因為它的目標就是像太陽一樣發生核聚變為人類提供能源。在2017年,東方超環在世界上首次實現了5000萬度等離子體持續放電101.2秒的高約束運行,實現了從60秒到百秒量級的跨越。2018年底,東方超環又首次實現了1億度等離子體放電,實現加熱功率超過10兆瓦,等離子體儲能增加到300千焦。
如果能較長時間維持1億度的高溫,那人類距離解決核聚變商業化應用真的就不遠了,不過這一天可能還需要很長時間。如果核聚變研究成功了,一些高耗電的行業就沒有了電力的限制,勢必會發生變革,例如鋼鐵、化工等產業。電力成本降低,整個產品成本也隨之降低,但是一些傳統能源將會被淘汰,例如煤炭、原油行業就會走入低估,而應用電力的行業,將會迎來大力發展。
但是但各位不要高興得太早,因為你設想中的核聚變後用電免費這種事情不存在的!未來的電價將仍然維持在當前的水平,甚至可能在很長的一段時間內都是這樣……不要想著聚變電站會拉低電價,這明顯是想多了!可控核聚變的開發成本到現在為止已經投入了數百億美元,當然這僅僅是ITER的投入而已,各國自行投入核聚變研究的費用並沒有包含在內,而這個費用加起來將超過數千億美元,您認為這些錢都會打水漂嗎?
其次因為氘氚聚變需要兩種氣體,一種是氫同位素氘,另一種則是氚,前者在自然界中的含量大約為0.02%,儘管含量很少,但對於氚來說氘幾乎就是白菜了,某寶價格是一千克5800元,但氚的售價可高了,一千克大約三千萬美元,我們來計算下,氚氘混合一千克大約能產生多少能量,這些能量轉換出電能又價值幾何!知道大家算不出來,下來就列個公式。
氚氘聚變反應方程式為:3H+2H=4He+n,反應放能17.59MeV,質量虧損比例約為:0.375%,一千克氚氘混合物核聚變後的能量為:337081100084874675.6J,那麼假設能夠百分之百轉換成電能,按一度電為:3600000J計算,大約為:93633638912.465度,而蒸汽輪機熱效率最高也就47%,電能大約只有44007810288.86度,再取個中間值,按每度電五毛錢計算,價格為22,003,905,144.43軟妹幣,也就是220億。不過這是理想化的,實際轉化能夠達到5%就不錯了。
同時可控核聚變電站的運營成本不會比裂變電站低,甚至可能更高,不要看可控核聚變的燃料氚氘比U235便宜,但它會產生中子,內壁材料會嬗變,簡單的說,可能過段時間內壁就要換了,還有巨大的超導線圈和強制製冷液氦消耗,未來算液氮把成本低一點,還有龐大的結構建設等等,也許可能更高,這些都是錢!所以目前來看,未來的可控核聚變時代除了能源焦慮症解除外,其他也許並沒多少改變,當然可控核聚變是一個文明的標誌,表示了我們地球文明從此走向星際時代!