可控核聚变可以实现吗

可控核聚变可以实现吗

可控核聚变可以实现吗图1

可控核聚变目前只在设想中,并没有实现。科学家称,短期内,还不能实现。

核聚变简介:又称核融合、融合反应或聚变反应,是将两个较轻的核结合而形成一个较重的核和一个很轻的核(或粒子)的一种核反应形式。在此过程中,物质没有守恒,因为有一部分正在聚变的原子核的物质被转化为光子(能量)。核聚变是给活跃的或“主序的”恒星提供能量的过程。

可控核聚变到底有多难?可控核聚变实现后对人类影响有多大?

笔者在电力行业干了20多年了,在这个事情上有一定的发言权,我们就来分析一下可控核聚变研发成功并投入商业运行后对世界的改变。

先简单的说一下什么是可控核聚变

核聚变是指将两个较轻的核结合而形成一个较重的核和一个很轻的核(或粒子)的一种核反应形式。不可控的核聚变已经实现了,那就是氢弹。核聚变反应也是大家每天都能看到的,太阳就是通过核聚变反应释放出大量的能量的。

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图:质子-质子链反应是太阳和比太阳轻的恒星产生能量的主要方式

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图:美国在比基尼环礁的氢弹核试,这是不可控的核聚变反应

可控核聚变就是控制核聚变反应的过程,按需输出能量。可控核聚变反应的材料为氚和氘(氢的同位素),按目前的能源需求,海水中的氘可满足人类上百亿年的能源需求。而地球再过10亿年就不再适应人类生存了(太阳的光度每过10亿年增加10%),所以,可控核聚变是人类的终极能源。

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图:位于中国合肥的EAST

目前,可控核聚变已接近成功,据最新的消息,有望在20年内实现这一目标。

可控核聚变的难度

要让核聚变反应进行就必须使两个原子核的距离靠近到强相互作用力的作用范围。强相互作用力表现为吸引力,这个力非常强大,但它的作用范围非常的短(10∧-10~10∧-13米左右),只能在原子核的范围内起作用。要使原子核靠近到这样的程度(约10fm),一是需要强大的压力,二是需要极高的温度(关于密度和压强的必要条件就是劳森判据)。

在自然界,需要至少13个木星质量产生的万有引力才能启动最容易的氚-氘核聚变(褐矮星)。当然,目前人工条件下是不可能达到如此大压力的。只有依靠提高温度,使氚氘达到核聚变的条件,这个温度需要上亿度。这个问题已基本解决,利用高能激光就能办到。

但是,上亿度的温度是任何容器都无法承受的,目前人类制造的材料最高只能经受4000多度的温度。所以,科学家想了一个绝妙的办法,利用电磁场将等离子体(高温下的原子核脱去了电子)约束在空中。

可控核聚变可以实现吗图5图:
D型环的磁约束核聚变托卡马克装置是最有希望达成的受控融合设计

目前,最主要的技术难题已解决得七七八八,正在建设的世界上最大的实验性托卡马克反应堆为法国南部的国际热核聚变实验反应堆,2016年12月央视报导中国率先研制成功最核心的核聚变材料部件,也就是必须承受过太阳温度的D型环内壁材质,高达每平方米4.7兆瓦热量,由中核集团西南物理研究所研发,同月送往ITER工地测试。现阶段许多托卡马克装置能产生核聚变反应但只有很短瞬间就必须关停避免机组毁灭,所以只有实验研究价值没有实用性,内壁材质是托卡马克是否具有商用价值的关键,成为各国攻关的重点。

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可控核聚变可以实现吗图7图:

国际热核聚变实验反应堆模型

可控核聚变实现后对世界的影响

由于可控核聚变几乎可以为人类提供无穷无尽的清洁能源,它对世界的影响是巨大的。

首先,能源的分布实现均衡化。能源再也不能最为某些国家限制和控制别国的武器。世界的政治格局将进一步的多极化。但石油作为化工产业的基础原材料并不会退出历史舞台。

第二,人口增长造成的粮食供应紧张将得到解决。由于能源价格的相对下降,农产品价格的上涨,利用电灯提供光合作用的立体化农业工厂将变成一个赚钱的买卖,农业生产将不再受限于土地的多寡。

第三,由于化石能源退出市场,碳排放和污染物排放将大大下降,雾霾将成为过去。

第四,星际移民将成为可能。在宇宙中,最常见的元素就是氢。可控核聚变装置小型化以后,搭载该装置的太空飞船将不再受到能源的限制,远征星辰大海将成为可能。人类在其他星球上可以利用这种无穷无尽的能源对星球进行改造,以适应人类的生存。

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图:核聚变火箭的想象图

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图:火星移民点想象图

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