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人类掌握了可控核裂变,为啥还要艰难开发可控核聚变,有意义吗?

上世纪人类发现了核能利用,并且开发出了可控核裂变,现在又在如火如荼的开发可控核聚变。这一字之差,到底有什么不同呢?我们一起来了解一下。

简单的说,就是可控核聚变比可控核裂变厉害多了,好处多多了。而且可控核裂变无法从根本上解决人类发展进程的能源危机,只有可控核聚变才能够真正解决这个发展瓶颈。

人类掌握了可控核裂变,为啥还要艰难开发可控核聚变,有意义吗?

  • 人类对能量的认识和利用是逐步推进的。

在猿人时代,人类的祖先们茹毛饮血,连最基本的能源都不知道。当雷击引发山火,猿人们从最开始的害怕敬畏,到拣拾品尝到火中烧烤的野味美味,对火渐渐有了认识,开始知道燃烧的害处和好处,从此开始了人类对能源的认识利用之旅。

千百年来,人们从烧柴草煮饭,到烧煤获取动力,再到燃油时代,标志着人类从古代的柴草时代跨入了石化时代,人类文明开始从蛮荒黑暗迈进现代光明阶段。随着社会发展,人类对能源的需求量越来越大,而煤炭、石油等资源都是不可再生资源,这些资源都是经过亿万年的地下演化才形成的,储量是有限的,用一点就少一点,在一个相当长时期是无法再生的。

这样人类能源危机不断的加大,对发现和开发新的更高效能源要求越来越迫切,而爱因斯坦的质能方程理论应运而生。

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  • 质能方程为人类开启能源宝库提供了一把金钥匙。

爱因斯坦狭义相对论最伟大的发现之一就是质能方程,这个理论对质量的属性进行了新的探讨和定义,在人类发现质量守恒的基础上,进一步推演出了质能守恒定律,指出在一个孤立系统中,所有粒子的相对论静能与动能之和在相互作用中保持不变,物体的质量就是所含能量的量度,质量和能量可以等价互换。从此,质量与能量有了确定的当量关系。

这个关系的表达式就是著名的质能方程:E=MC^2。这里的E表示能量值,单位J(焦耳);M表示质量,单位kg;C为光速,精确值为299792458m/s(米/秒),一般取值为300000000m/s。

这个公式的意思是,一切物质的质量中,都包含着同等的能量,质量相等的物质,所蕴含的能量是等价的。也就是说1kg白菜和1kg黄金的质量中所包含的能量度量是一样的。

那么1千克物质等量有多大呢?根据质能方程计算可得:

E=1kgx(300000000)^2=9×10^16J

1千克物质如果全部转换成能量,可得9亿亿焦耳的能量,相当于250亿度电,或者约2151万吨TNT黄色炸药,也就是21枚百万吨级核弹爆炸威力。

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  • 核能源时代来临,质能利用率得到巨大提升。

人类发现了质能转化规律后,开始从石化时代走向核能利用时代。在石化时代,能源的利用转化率是非常低下的,1kg煤产生的热能只有29000000J,根据质能方程倒算,质能利用率只达到0.000000032%;1kg石油产生的热能只有41870000J,质能利用率只约0.000000047%。

二战催生了原子弹,开启了核能利用的新时代。原子弹是核裂变不可控的利用,一经激发,就瞬间释放。在广岛爆炸的原子弹,装药只有几十公斤,却达到了13000吨TNT炸药的爆炸威力,这是因为在亚原子层次,在核子的链式反应过程中,有0.13%的质量会转化为能量,质能利用率比煤要高出了400多万倍,比石油高出了276万倍。

但原子弹的能量释放一瞬就没了,而且只能够起到破坏作用。科学家们通过不懈努力,发明制造了反应堆,这些各式各样的反应堆能够使原子核裂变变得慢下来,人们就可以利用这些裂变过程中产生的能量来造福社会了。

一个和平利用核能的时代就到来了,最常见的可控核裂变利用就是现在遍布全球的核电厂。

人类掌握了可控核裂变,为啥还要艰难开发可控核聚变,有意义吗?

  • 但核裂变的效率比核聚变要低,且有诸多限制。

这些限制包括,核裂变所需矿产资源储量有限,开发提纯工艺要求高,难度大,且放射性污染大,废料难以处理。在核发电站还频频发生了核泄漏事故,如1986年前苏联的切尔诺贝利核电站事故,2011年日本福岛核电站事故等,全世界的核泄露事故已经发生数十起,给环境和人类造成很大损害。

而核聚变相对核裂变,是更安全、更环保、更高效的核能利用,理论上来说,核聚变是没有核废料排泄和残留,几乎没有任何污染,且原材料易得,取之不尽用之不竭。

核聚变主要材料是氢的同位素氘和氚,氘在海水里储量非常丰富,约占0.003%,全球海水总量约134亿亿吨,所含氘总量有40万亿吨之多。1公升的海水中含有30毫克氘,核聚变所产生的能量相当汽油300升。这样仅地球上核聚变的原材料就足够人类使用几十亿年了,而且月球上还有丰富的氦-3,是核聚变更好的原料。

核聚变质能转化率可达0.7%,是核裂变的5倍多。既然有这么多好处,那为什么现在人类还不开始利用核聚变能源呢?这是由于:

人类掌握了可控核裂变,为啥还要艰难开发可控核聚变,有意义吗?

  • 核聚变门槛高,技术难题一时难以攻克。

相比核裂变,可控核聚变的发生和持续条件非常苛刻,因此迄今为止,虽然有所进展,在实验室里面的可控核聚变时间越来越长,能量的输出越来越大,但要克服的技术难题还很多,目前的技术还远远达不到商业化运营的需要。

人类目前还是只掌握了不可控核聚变,也就是氢弹,“轰”的一声能量就一下子爆发了,这种能量除了破坏作用,丝毫也不能用于国计民生的造福。可控核聚变的难点在哪儿呢?

首先核聚变必须有高温或高压。比如太阳核心源源不断的核聚变是在1500万度高温和3000亿个大气压下维持的,在地球上,人类无法制造出3000亿个大气压,只能在高温上想办法。而核聚变单纯依靠高温,需要1亿℃的温度,才能够保证其持续不断的进行。

这样更大的难题又来了:用什么容器盛装这个高温等离子体呢?要知道,在地球上任何元素在几千度的高温中都会被气化,而这个高温不是几千度,也不是几万度几十万度,而是比太阳中心温度还要高的1亿度。

还有,即便做出了这么高的温度,又能够约束这个高温等离子体,又怎么将这些高温形成的能量输出成为可用功呢?这就是可控核聚变必须解决的三个难点。简单的说,就是要实现超高温,并约束这个高温等离子体,还要能够做出功来。

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  • 现在实验可控核聚变实现的条件。

现在找到的约束超高温等离子体的方法主要有三种,即磁约束、重力约束、惯性约束。目前成功较多的实验方法是采用磁约束,比较典型的就是一种叫做托卡马克的装置,这种装置就是利用磁约束实现可控核聚变的环形容器。

托卡马克装置中央有一个环形真空室,外面缠绕着线圈,这些线圈一通电,就会在环形真空室产生巨大螺旋型磁场,将其中的等离子体加热到亿度的目标温度,从而达到可控核聚变的目的。

现在世界上一些发达国家都非常重视可控核聚变研究,中国也积极投身其中,成为国际合作研究的重要成员。虽然不断有好消息传来,过一段时间就有一个突破,但总体上进展还是比较缓慢的。

目前大致取得的成果为:已经获得了亿度高温,而且约束这种高温等离子体从几个毫秒,到现在最长可以维持1000秒,从过去输入大于输出,现在能够输出大于输入,也就是可以做出功来。这些进展已经是本质上的突破,证明了可控核聚变是可行的。

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  • 人类对能源能量的认识还任重道远。

有科学家估计,人类要真正的实现可控核聚变商业运用,还需要30~50年的努力。

到了真正可控核聚变成为社会主要能源的时候,已经担忧了100年的能源危机就能够得到缓解,甚至可以说,人类在一个相当长的时期内,已经没有了能源危机之忧,人类文明将提升到一个新的层次。

这就是已经掌握了可控核裂变,还要继续研究可控核聚变的原因。而且可以预见,即便掌握了可控核聚变,人类质能转换的能力还是很低等的,因为质能转换率只能够达到0.7%,还有99.3%的质能转换空间没有认识和开发。

而且人类随着文明程度的提升,对能源的需求将会成指数级增长。从本质上说,只有反物质湮灭,才能够达到100%的质能完美转换,这期间还有99.3%的阶梯需要我们去攀爬。因此人类即便掌控了核聚变,也还有更高层次的能源利用需要去开发,人类只要存在,攀爬就永无止境。

就是这样,欢迎讨论,感谢阅读。

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