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科学最前沿的可控核聚变什么时候能实现

作者:太空生物学·黄姤

在物理学界有个笑话,无论啥时候问科研人员还有多长时间能搞出可控核聚变啊?得到的回答都是应该还有30~40吧,40年前是这个回答,40年后的今天还是这个回答,虽然是这样但可控核聚变依然是科学的最前沿全力研发的重要主题,因为它对我们来说实在是太重要了,为什么说目前的可控核聚变研究并没有那么乐观,为什么可控核聚变非常的难,一旦成功了又意味着什么。

科学最前沿的可控核聚变什么时候能实现

什么是核能?

这得从一条爱因斯坦的公式说起E=mc²,简单来说就是质量和能量其实是可以相互转换的,它们的关系就有点像水和冰那样,并且一点点的质量就能转化成非常大的能量,而想实现这个过程,目前有两种方式:

  • 核裂变
  • 核聚变

核裂变——用中子去撞击铀或者钚这种特别大的原子使其一个分裂成两个,方式是损失质量,释放能量。

核聚变——氢或者氦这种极小的原子在合并成大原子,方式是损失质量,释放能量。

目前是利用核裂变来发电,利用核聚变来制造氢弹,但两者一比较,核聚变的表现明显是高于核裂变的。

首先,在同等质量下,核聚变所能产生的能量比核裂变高出上百倍,这就是为什么原子弹(小男孩)比氢弹威力小的原因,如下图所示,左下角要用放大镜才能看到的就是原子弹的蘑菇云,不用放大也能够看到的就是氢弹的蘑菇云,其中最右边的就是前苏联著名的沙皇氢弹。

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其次,核聚变的原料在地球上非常的丰富,一种原料是氘,海水中就蕴含着大量的氘,名副其实的烂大街。另一种材料是氚,这种元素就没有那么常见了,但仅在地球所能采集到的氚也足够我们用上万年了,而且太阳系中大量存在的氦3也是极佳的核聚变原料。

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反观,用于核裂变的放射性元素在地球的含量就很有限的了用不了太久,最后核聚变反应的最终生成物可以说是没有发射性的,而核裂变的生成物则有很强的放射性并且放射时间还特别的长。

为什么目前还没有用核聚变来发电呢?

氢弹虽然厉害,但因为核聚变反应非常剧烈,所以目前只能够用来做一些试验,没法用来发电,如果想通过核聚变来发电就得解决以下几个问题:

第1个问题——温度。

就是核聚变反应最低也需要几百万度的高温,氢弹里面都会有一颗小型原子弹,依靠原子弹爆炸时的高温才能带动氢弹的核聚变反应,目前我国已经可以不用原子弹也能达到上亿度的高温,在解决了高温条件后,那么第2个问题来了。

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第2个问题——容器。

在高温度的情况下核聚变反应既不是固体、液体也不是气体,这时原子的电子已经和原子核分开了,它们处于等离子状态并且这些等离子体还非常活跃,与龙卷风一样发很快的速度四处乱窜,它所接触到的一切物体都会被熔化,后来前苏联科学家想到既然等离子体是带电的,而磁场是能对带电体产生作用力,那么就可以用磁场来把它约束起来,根据这个原理,托卡马克装置诞生了。

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托卡马克装置就是在真空室内,用线圈通上超大的电流,电流就会产生磁场,磁场就能够控制住这些四处乱窜的等离子体,托卡马克装置确实可以通过核聚变获得能量,但是它也会带来两个问题。

①托卡马克装置的工作时长非常短,因为如果通上的电流不够大,那么就无法控制住等离子体,就会把装置烧坏,如果通上电流足够大等离子体被控制住了,但装置的电路很快就会因发热严重而不得不停止工作,虽然现在都改用了超导电路,让电路的电阻降到约等于0,电路也就不再怎么发热,但接下来的问题来了。

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②要维持强大的磁场和极致的超导环境,就需要消耗大量的电能,因此从产生能量的效率来看目前所有的托卡马克装置都是得不偿失的,用产生能量和消耗能量的比值来衡量托卡马克装置的效率,这个比值在行业内被称为Q值,Q值必须要大于1才有意义,当然Q值大于1还远远不够,因为核聚变产生的热量大部分都利用不了,估计只有1/5能被利用,也就是说Q值必须要大于5,如果再考虑到热能转换成电能,电能再转化成磁场有损失的情况下,国际上公认的能量收支平衡点Q值必须要做到10以上,而要使核聚变发电具有商业竞争力,也就是成本要和传统的发电方式持平,那么Q值起码要达到30以上。

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可控核聚变研究真的已经取得了重大突破吗?

目前日本等很多国家都经常报道说可控核聚变研究已经取得了重大突破,很快可控核聚变就能够全面实现了,但其实这些都是标题党,他们通常只说产生了多少能量,但却不说花费掉的能量,更是没有理会能量的转换效率,而且即便是产生能量真的多于消耗能量也只能维持极其短暂的一瞬间,因此不可实用,而媒体记者不懂科技而且喜欢报喜而不报忧来吸引眼球,做了不少误人误己的报道,很多人在一次次受骗后也就对可控核聚变麻木了,虽然如此,但科学家们还是很努力地在可控核聚变的研究中慢慢地往前走。

目前比较确认的能够持续产生核聚变能量的托卡马克装置是英国的JET设备,Q值为2/3,而欧洲在法国建设的下一代可控核聚变研究设备(我国也有参与),设计的Q值目标为10,这就又往前做了一次大的跨越,所以可控核聚变的研究进展并没有原地踏步,虽然进展很慢,但科学的最前沿的确是在一步一脚印地在努力突破技术瓶颈。

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可控核聚变还要多久才能够现实呢?

可能要再等30~40年。如果你很关心人类未来和科技进步,想密切了解可控核聚变的进度不妨关注一样东西——高温超导材料。

高温超导材料技术真正成熟了,可供核聚变就简单很多了,因为如果能用上高温超导技术,那托卡马克装置的能量就会大幅度降低,原因也不难理解,超导虽然好但是超导的条件却非常的苛刻,要达到零下270摄氏度也就是接近绝对零度(-273.15摄氏度),要达到并维持如此低的温度需要消耗很多的能量,而高温超导顾名思义就是哪怕温度没有那么的低也能产生超导现象,比如零下160摄氏度,甚至零下70摄氏度从而大幅度降低维持超导现象所需要的能量,Q值也就能往上提高不少,虽然还远不能达到科幻小说的程度,但起码比现在好上很多,但目前来看高温超导技术的研发还需要再走上一段时间。

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虽然新技术达到了高温超导的数据指标,如果高温超导技术能成熟,那对人类世界将会是颠覆性的,这就是为什么之前中科院大科学家曹原发现石墨烯超导现象后,全世界的物理学家都震惊了,虽然曹原没有像媒体瞎说的那样直接研发出了高温超导,其石墨烯超导研究还是在接近绝对零度的环境下进行的,但曹原的研究思路却让科学家们顿悟,原来研究高温超导材料还能够有如此简单的方法,曹原也因此有望成为全世界最年轻的诺贝尔物理学奖得主,因为他现在才只有24岁左右。

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可控核聚变为什么如此重要

以下的讨论均是以可控核聚变彻底成熟为前提。

第1点:如果可控核聚变能彻底成熟能源就会多的用不完,电费约等于不用钱,这个影响就会很大了,比如无线充电就可以全面普及,其实无线充电的技术早就有了,现在的手机就能够在靠近无线充电器的时候充电,它的原理就是物理的楞次定律,掌握可控核聚变后能源多得用不完,无线充电站会充满整座城市,电就像空气一样充满整个城市的空间。汽车和飞行器可以持续而不用停下来补充能量,因为在空中就能直接充电,未来在我们身体中植入的仪器也不用担心没电了,对脑机接口,人机结合的技术应用有着非常大的帮助。

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第2点:地球的环境也会因为可控核聚变这种清洁能源的大量使用而变得山清水秀,无限的能量加上人工智能的成熟,将会让我们的生活变得非常的富足而除掉特意抬价的奢侈品,常规商品的生产成本无非可以分成三部分:人力成本、能源成本、材料成本,因为在之后人工智能会大量的代替人类劳作,人力成本几乎可以省略,而能量成本也会因为可控核聚变的成熟而变得非常低,因此一个物品最终只会剩下材料成本,价格将会大幅度的降低,甚至很多国家能够轻松免费提供大众消费品。

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第3点:可控核聚变将会直接改变全世界的经济,世界上的一切生产都离不开对能源的依赖,能源是一切生产的最上游,对社会秩序、经济秩序起了决定性的作用,比如石油价格一发生波动,整个市场甚至整个社会都要进入高消费状态,例如1973年中东国家将国际油价抬高了两倍多,直接导致了严重的经济危机,美国的工业生产下降了14%,日本下降20%,今年3月的油价暴跌导致美股直接熔断了4次。

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第4点:可控核聚变是星际殖民的最低标准,如果能实现可控核聚变我们就能在太阳系内来回穿梭,目前化学燃料火箭顶多也就带我们去到火星,很难去更远的地方了,因为想飞得更快去得更远,就要装下更多的燃料,为了装下更多的燃料,火箭就会变得更加的臃肿笨重,火箭所能获得的速度、加速度自然就越小,并且费用还直线往上涨,E=mc²能量由质量转化而来,想获得能量就要先损失质量,损失的质量越大获得的能量就越多,而传统火箭使用的化学燃料其质量损失只有0.00000005%,可见化学原料在能量转化上是有多么的低效,化学燃料火箭自然不能承担大任,而可控核聚变的质量损失则高达0.7%,其能量转化效率比化学燃料高出了7个数量级,而可控核聚变的火箭速度更是能够达到光速的10%,是常规火箭的近万倍,星际殖民对人类的影响将不亚于几百年前的大航海时代。

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总结

以上4点是实现可控核聚变后的情景,如果不能够尽早让可控核聚变走向成熟对于我们来说无疑是个噩梦,人类是死是活真的得要看可控核聚变,这个真的不是开玩笑,因为现在地球容易开发的那部分化石能源支撑不了太久,这意味着可控核聚变一旦进展不顺,能源紧缺就在所难免,能源紧缺必然会导致经济的萧条。

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