地球上造“小太陽”,終極能源可控核聚變實現起來有多…


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地球上造“小太陽”,終極能源可控核聚變實現起來有多難?

現在整個世界的運轉需要依賴各種能源,特別是電力和化石能源。一旦能源不足,各種設備都會罷工癱瘓,人類的生活質量將會發生很大的退步。

電能需要依靠其它能源進行轉化,不過直到20世紀末,人類主要都是使用火力進行發電。雖然風能、太陽能、地熱能、海洋能等可再生能源也可以發電,但它們不穩定,而且還有諸多限制,並不能完全滿足人類對能源的需求。

石油、天然氣、煤炭等化石能源也有開採完的一天,並且由於大規模使用化石能源,釋放了過多的二氧化碳,產生的溫室效應使全球變暖,所以現在需要有節制地使用,逐漸向清潔能源轉變。因此,人類一直都在為能源問題發愁。

早在上世紀中葉,人類就已經發現原子核中蘊含著巨大的能量,並據此製造出了核彈。核反應主要分為核裂變和核聚變,裂變是重原子核分裂為輕原子核,而聚變是輕原子核合併成重原子核。以核裂變為例,1千克鈾235完全裂變後,就相當於2000噸優質煤充分燃燒後所釋放出的能量。

現在核裂變也早已經用來發電,可是由於核裂變會產生核廢料,容易對環境造成污染,因此核電站並沒有被廣泛應用。而且常用的核裂變材料“鈾”,它在地球上的儲量也不多。

理論上,核聚變釋放能量的效率比核裂變高許多,質能轉化效率可以達到0.7%。太陽就是依靠內部的核聚變反應發光化熱的,太陽內部的氫原子核氘和氚在高溫高壓環境下不斷聚變為氦核,同時釋放出巨大的能量。

氫聚變反應不會產生帶有放射性的核廢料,並且相比於鈾的貧乏,氫在地球上的儲量非常豐富。氚就是我們常說的氫,而氫的同位素氘也比較容易制得。如果人類一旦掌握核聚變技術,那麼人類在未來很長的一段時間內將免於能源問題的苦惱,所以可控核聚變也被稱為終極能源。

人類早在上世紀50年代就造出了氫彈,氫彈主要就是依靠核聚變釋放出的巨大能量進行殺傷。氫彈是一瞬間釋放出巨大的能量,但這並不實用,沒有辦法用來發電。

為什麼過了將近70年,人類還未掌握可控核聚變技術?那是因為實現可控核聚變真的很難!

可控核聚變難就難在控制上。要想在地球上造一個小太陽,並且持續不斷、穩定地釋放能量,所需要的技術要求非常高。

這是因為氫原子核要發生聚變,需要極高的壓力和溫度。根據科學家的研究,太陽內部的壓力是地球大氣壓的3000億倍,內部的溫度至少為1500萬攝氏度。而且研究發現,要想在地球上複製這一過程,所需要的反應條件必須要比這個條件還高。要想長久地保持這種高溫高壓環境就更困難了。

太陽是一個等離子體火球,要把小太陽放到地球上,必須要有一個控制和盛放的容器。地球上已知熔點最高的物質是五碳化四鉭鉿(Ta4HfC5),它的熔點為4215 ℃。可是面對上千萬度的高溫,任何一種有形的容器都承受不了。

為此科學家想出了辦法,就是採用磁場或者激光進行約束控制,這樣反應物就不會與容器直接接觸,而是懸浮在半空中。

目前前途最好的就是磁約束了,激光慣性約束還處於技術驗證階段。現在採用超強磁場約束核聚變物質的裝置主要有兩類:託卡馬克和仿星器。等離子體是帶電體,所以磁場可以控制它們,而這些超強的磁場是由超導體中的電流產生和維持的。利用磁場就能控制這些等離子體,給它們進行加壓產生高溫,從而實現核聚變。

可不管是磁約束還是激光約束,它們控制的不是一整個蘋果,而是許許多多的粒子,這就對控制精度要求非常高,一旦出現誤差,反應就會終止,設備也可能會因此出現損壞,所以實現起來非常難。

可控核聚變,雖然全世界許多科學家為之奮鬥了很多年,但目前仍然停留在實驗室階段,最多只能穩定控制幾十上百秒,距離實用階段恐怕還要再等50年。