電子科技大學 格拉斯哥學院 2017級李同起
可控核聚變也被些人譽為上帝模式」,這是人類已知唯能次性徹底解決能量危機的方式,也是人類星際旅行的理想動力。
早在2023年,的狹義相對論中就提出來了質能方程,也是婦孺皆知的e=mc²,從這個公式中我們可以得知:即便質量很小的物體也可以釋放巨大的能量。
可具體該怎麼操作才能釋放這些能量呢?
量子力學的發展告訴我們,質能方程的可行性操作就在微觀世界,原子核裂變和聚變可以釋放巨大的能量,這正是質能方程的應用。
核裂變的材料須是易裂變重元素,整個元素週期表中也就剩下鈾,釷,鈽了。但這些元素在地球上含量極少,而且釋放的核能相較於核聚變更少,且會造成放射性汙染源。所以核裂變並不是人類未來的理想能源。
但核聚變就完全不同,基本全是優點,唯的缺點就是難控制。首先核聚變的材料元素是輕核子,比如氫的同位素氘(d)和氚(t),這些元素完全可以靠電離水製備。以目前看來,電離出克的重水需要7塊。與此同時,1克重水用來聚變產生的能量相當於800萬度電。按0.5元/度的單價計算,這些電量估值400萬,這完全是暴利。
核聚變無非就是把兩個輕原子核融合在起形成新的原子核,並釋放中子和大量能量的過程。
原子包含帶正電的原子核和帶負電的核外電子。兩個輕核原子進行核聚變前,般要把核外電子剝離掉,就剩下兩個帶正電的原子核了。我們都知道電荷是同性相斥,這是庫侖力導致的。兩個無緣無故的帶正電原子核即便靠近也會因為庫侖力被推開,要想核聚變就得使這兩個原子核不僅靠近,還得糅合在起,使其質子和中子們形成新的強相互作用而合成新原子。
怎麼讓原子核們能聚合在起呢?
答案就是高溫,我們知道溫度的本質是:微觀粒子運動的劇烈程度。微觀粒子運動地越劇烈其溫度越高。引爆需要極高的溫度,所以裡面都有枚小型作為點火裝置。但釋放的能量並不可控。
人類要想利用核聚變就必須控制聚變過程。人為控制核聚變第個要求就是達到點燃」核聚變的溫度。
比如我可以把輕核原子們放在個球形靶丸中,用強雷射從不同的方向照射靶丸,照射產生的高溫導致原子的運動變得異常劇烈,核外電子開始脫離原子,形成了原子核與電子交織的等離子體,劇烈的運動也給原子核們了足夠的動力來相互撞擊以突破它們之間的電荷排斥力(庫侖力)以融合在起。
這種就是實現可控核聚變的兩大方式之,我們叫慣性約束核聚變,比如我國的神光三號雷射點火裝置。但是慣性約束很難控制等離子體對裝置造成的高溫。可控核聚變點火溫度起碼得數千萬度,沒有什麼材料能抗得住這樣的高溫。所以科學家更青睞可較好地束縛等離子體的磁約束裝置。
磁約束就是利用磁場束縛住發生核聚變的等離子體,使其與裝置內壁形成隔離帶,避免儀器遭到高溫的洗禮」。
磁約束核聚變反應前,首先需要先把大量輕核原子們(比如氘氚)加熱使其核外電子脫離,這樣就形成了帶正電的原子核群和電子群。它們整體保持電中性,這就是等離子體。我們也可以稱之為等離子漿。
等離子漿進入磁場中會被束縛起來,再共振和加速起來,使等離子漿中的原子核運動愈發劇烈,並相互撞擊融合,完成聚變過程。這種因等離子體內部劇烈運動的原子核們相互部撞擊而產生的核聚變就類似於太陽內部的核聚變,所以科學家們也管磁約束核聚變裝置叫人造太陽」。
事實上,人類已經粗略地實現了可控核聚變,但是由於以上三點做的都不到位,我們現在的可控核聚變遠遠還不划算。投入100萬的資金產出的聚變能量或許只相當十度電,這買賣肯定是巨虧。只有提高效率,核聚變產出的能量才有可能超過投入的電力能量。
我國「人造太陽」首次實現1億度!人類距離可控核聚變還有多遠?
正如合肥物質科學研究院副院長李建剛院士說的那樣:我國east的科學目標就是三個,兆安(等離子體電流)、1000秒(維持時間)、億度(溫度)」。
去年我們實現了電子溫度超過5000萬度、持續時間達102秒的超高溫長脈衝等離子體放電。
時間上還差了10倍,但是這三個」中我們今天實現了其中個,那就是億度。
還有兆安的等離子電流和1000秒的時間尚待我們努力。
實現三個」起碼可以保證可控核聚變有商業化的前提了,起碼是摸到了可控核聚變的門了,但開啟核聚變的大門還為時尚早。其中個很大工程學難題直羈絆著我們,那就是中子輻射。我們知道磁場可以控制電荷的運動,不管是帶正電的原子核還是帶負電的電子在磁場的約束下都會變得規規矩矩。但是核聚變會釋放中子,以氘氚融合產生氦原子和個中子為例,這些中子不帶電,不受磁場約束。
高能的中子會亂撞擊托卡馬克裝置的內壁,儀器完全經受不住持續的高能撞擊,所以這也是托卡馬克開機時間不能太久的原因之。
預計到22世紀,人類可熟練掌握核聚變並提高能量產出效率。屆時人類將通過可控核聚變這途徑提前進入主義。
海水資源可以給人類數億年的核聚變燃料。對於人類來說,幾乎0成本的無限電力可以做更多的事。比如人工植物,在室內創造光合作用,每時每刻都在創造糧食。用電力無限淡化海水供人類使用,電解水產生氫氧燃料供汽車使用。在陸地建設大型抽水基站,這些基站連線起來把海水抽向沙漠,人造綠洲得以實現,塔里木盆地將是宜居的生態環境…。
屆時搭配著高度發達的人工智慧來辦事,機械人幾乎可以替代人類去幹所有的苦活累活。人類的物質生產極其發達,人類不再桎梏於物質追求,人們徹底解放了自己的雙手,有更多的時間享神世界。可控核聚變的發展讓人類遠距離太空旅行變得有恃無恐。我們不再侷限於地球,可以在火星上搭建可控核聚變電站,用機械人完成對火星的改造。
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