如果可控核聚变研究成功了,短时间内有什么魔改用法?

早在1985年,国际热核聚变实验堆计划(ITER)就把可控核聚变作为其重点研究内容,也就是后来人们常说的“人造太阳”计划。可控核聚变的原理,就是充分模拟太阳“工作”原理,利用特殊的装置,通过强大的磁场,把温度高达上亿度的超高温等离子体约束起来,推动它进行核聚变反应,同时释放巨量的能量。我国的可控核聚变研究目前已经处于世界领先水平,可以实现电子温度1亿度的等离子体运行。

理论上在压强2000亿个大气压、1500万度下就可以实现可控的核聚变,虽然以现在的技术1500万度完全不是问题,但远远没有达到可以支撑2000亿大气压的容器,所以必须要尽可能提高容器内部的温度,没有几亿度是不可能实现可控目标的。

核聚变所需要的最基础的材料是氘和氚,而地球海洋中就含有几乎取之不尽的氘和氚,如果可控核聚变实现的话,我想可能会出现以下几个方面的变革。

首先地球能源问题就不会出现危机,像现在的化石能源、风能、太阳能、水能等发电方式都会退出历史舞台,取而代之的是几乎零成本的海水,由其为主要原料进行核聚变反应,释放巨量的能量,环境污染问题特别是大气污染也将不再出现。

其次,人类探索宇宙航天器的推进模式也将发生历史性变革,星际旅行速度在现有基础上将会提升好几个数量级,我们对宇宙探索的深度和探索质量也将有跨越式的提升。

第三,人类生存空间和生存效率将会大幅改善。由于能源利用方式的变革,全球变暖趋势得到有效遏制,人类治理沙漠、治理退化的草原湿地等的能力会大幅度攀升,生产生活、衣食住行所耗费的资源成本和时间成本大幅下降,从而延长了人类的实际寿命。

四是全球差异化逐渐消失,贫富差距越来越小,人类会为更高的科学技术发展,以及自我价值实现投入更多的时间和精力,人类文明势必迈入新的阶段。

(图片来自网络侵删)

还用说,肯定是拿来烧开水啊。

看着高大上的原子能现在也不是摆脱不了烧开水的本质。

恕本民科直言,哪怕再来一个50年,热核聚变成果的机会仍然渺茫!与主流科学预料的恰恰相反,机制非常巧妙,结构极其简单的冷聚变将在3-5年内取得飞速的突破,使得热核聚变成为历史,届时,一个微波炉大小的冷聚变装置可以提供10KW的热能,一瓶水中蕴含的能量足够一个家庭用一辈子,汽车可以一辈子不加油,飞机可以飞行数年不着陆,人类在数百亿年内能源无忧!

当然,冷聚变同样既是天使,也是恶魔,一旦落在坏人手中就可以毁灭人类!

除此外,冷聚变的发现者(没错!不是发明!)势必成为能源巨头的头号公敌,遭到全球追杀,性命难保!

余下的问题是,有谁具有战略眼光支持冷聚变这个外星科技研究呢?

如果可控核聚变研究成功了,短时间内有什么魔改用法?

核聚变的成功和石油耗尽一样,永远都有五十年,从上世纪五十年代核聚变的鼻祖托卡马克装置开始到现在为止,已经过去了将近七十年,但聚集了全世界顶尖科学家的ITER仍然还未能商业化运行,似乎还需要有下一个五十年出现!

为什么核聚变那么难实现?

其实核聚变实现并不难,很多朋友肯定就会说太阳不就是核聚变么,当然,您的科学课满分了!但即使不在太阳上,核聚变实现依然不难!因为用的是氚氘,而不是太阳的氕氕聚变!

根据元素的结合能,氚氘是氢元素同位素中聚变最容易的哦,而氕氕聚变则最难,因为一个质子会先洗手能量转换为中子,然后变成氘再和原先的氕结合形成氦三,太阳上正在发生的就是这个过程!那为什么太阳不烧最简单的氚氘呢?其实太阳在13个木星质量大小时已经将氘氚耗尽了,所以现在它只能烧比较难烧的氕氕,将氕氕转换成氘再继续燃烧!

太阳核心的质子链反应

但ITER核聚变项目肯定不会去选那么困难的氕氕,而是比较容易的氘氚,不过即使如此,氘氚聚变对于人类来说仍然非常困难!因为要实现氘氚聚变并不难,但实现自持持续运行非常困难!原因聚变中的高温等离子体非常难控制,为此在托卡马克这个大变压器中通过的电流极高,等离子体电流高达千万安培,扭曲模、磁岛以及磁面撕裂等问题非常严重!

托卡马克大变压器示意图

另一个则是第一壁消耗问题,因为氘氚聚变会产生多余的中子,尽管可以轰击锂6生产氚,但仍然有大量的中子会被内壁吸收,造成材料嬗变,所以用不了多久昂贵的第一壁就得更换。

惯性约束核聚变则存在点火与持续燃烧问题,因为燃料球的初始内爆对称性需要的精度极高,所以无论哪个方案总是有跨不过去的坎,而且未来解决的成本极高!

假如核聚变实现了,你能想到那些用途?/

当然以下属于假设,我们不管核聚变有多难,道路有多坎坷,终于实现了核聚变,但各位不要高兴的太早,因为你设想中的核聚变后用电免费这种事情不存在的!纳尼?不是每升海水中的聚变燃料都相当于300升汽油么?居然还有人想收朕的钱?

  • 聚变的电成本真的很低吗?

其实这很容易理解,因为氘氚聚变需要两种气体,一种是氢同位素氘,另一种则是氚,前者在自然界中的含量大约为0.02%,尽管含量很少,但对于氚来说氘几乎就是白菜了,某宝的价格是25毫升/145元,一千克/5800元,目测量大是可以优惠的!但氚的售价可高了,一千克大约三千万美元,我们来计算下,氚氘混合一千克大约能产生多少能量,这些能量转换出电能又价值几何!

氚氘聚变示意图

氘氚聚变的质量比是2:3,一千克中大约氚氘混合物价值大约是1800万美元,其实就是氚的成本啦,氘的成本在氚面前差不多就忽略了!那么能产生多大的能量呢?

质子质量是938MeV/c2

氚氘聚变反应方程式为:3H+2H=4He+n反应放能17.59MeV

也就是质量亏损了17.59MeV

那么质量亏损的比例大概是:0.375%

那么一千克氚氘混合物完全核聚变后的能量为:337081100084874675.6J的能量

按一度电为:3600000J计算

那么100%转换出来的电能大约为:93633638912.465度

事实上联合循环的的蒸汽轮机热效率最高也就47%,因此这些电能大约只有44007810288.86度。

按当前2019年广西二级水电站上网价0.32元计算,价值:14082499292.43元。

约合:2040646180.6美元

大约是:20亿美元

果然不少,当然这实在有些理想化,反应100%发生,但事实能达到上1-5%就谢天谢地了,还要维持自身消耗的大量电能,还需要均摊建设费用,还有设备折旧费,还有人工费用,一塌刮子算起来,略有盈余就已经是最伟大的胜利了!

所以我们实现了聚变还不够,还需要低成本实现聚变才可以!

因此在聚变电能仍然高昂的条件之下,各位还想怎么用核聚变的电能?估计就是家里冬天的电热取暖器和夏天的冷空调还是得省着用吧!不过如果是惯性核聚变搞定的话,未来的星际航行可就省事多了,如果各位不太理解的话,就是科幻小说《三体》中的无工质核聚变发动机(其实是有工质的,只是不用带额外的工质而已),直接用聚变产生的高能高速粒子推进飞行器!

希望还是有的,至少未来的恒星际间飞行将成为可能!

大家应该都看过漫威的电影《钢铁侠》,托尼·史塔克穿着战衣上天入地,充当着世界警察的身份与邪恶势力作斗争。不知道你是否曾想过这个战衣的能量来源到底是什么?

说到人类利用能量或者获取能量的方式最简单的例子就是“烧热水”,这个效率是非常低的。目前我们的发电厂最多的还是火电、水电,而风电、核电等新型能源还是在少数,并不占据重要地位。火电就是“烧锅炉”,把化石能源的能量通过烧热水的方式传递出去,最终水蒸气会带动汽轮机工作,从而同轴带动发电机运动切割磁感应线,这个时候电流在闭合线圈中就产生了。而水电就是利用水的重力势能,整个过程大体上跟火电也比较类似。而风电就是把风能作为能量来源。

最后主要来说一下核电,目前的核电站都是通过核裂变的方式来获取能量,重原子核在外力作用下被轰击分裂成多个质量较小的原子,在这个过程中会有质量损失。损失的质量都是按照爱因斯坦质能方程转化为能量。最常见的是应用铀裂变,当热中子轰击到铀-235原子后发生核裂变,这个过程会释放出2到4个中子,之后这些中子再去撞击其它铀-235,最后就形成了核链式反应。

但人类想要的能量利用方式不是核裂变而是核聚变,现在人类对于核聚变的应用主要是在军事武器上,例如氢弹的原理就是核聚变,但是这个过程并不可控。人类希望掌握可控核聚变技术,就像是太阳内核处发生的反应一样。因此这种技术又被人称为“人造太阳”,太阳内核处每秒钟都有6亿吨氢核发生聚变,生成5.95亿吨的氦,损失的500万吨质量就转化为能量,以光和热的形式向宇宙中传播。

太阳内核处之所以一直在进行着可控核聚变,主要是因为其自身的引力塌陷作用,让其内核处产生很大的压力和温度,在这两种条件下诱发氢核聚变。那么人类要想实现可控核聚变,也要达到这两种条件,除去之外还需要找一个“容器”,这个容器可以用来装这些高温高压告诉撞击的粒子。但是目前人类没有什么物质能够抵抗这两种条件,也就是没有容器啊!

目前人类为了解决这个问题,就制造了一种特殊的装置-超导托卡马克,这是一种利用磁约束和真空绝热来实现可控核聚变的环形容器,在我国就被称为人造太阳。如果有一天人类掌握了可控核聚变技术,那么开车不用再消耗化石能源,飞机可以一直绕着地球飞行不停止,总之能量的利用效率大幅度提高。

当可控核聚变技术实现后,下一步的主要工作就是把“反应堆”缩小化,就像是文章开头所说的,钢铁侠的能量来源实际上就是微型的核反应堆。人类要想飞出地球进行星际旅行,这是必须要掌握的技术。因为可控核聚变的效率非常高,即使携带少量的燃料就可以让一个机器一只运转,人类未来飞出地球寻找新的家园。在漫长的星际旅行中,最重要的就是能量供应。如果按照目前的科技水平,只能应用常规方法,那么会需要携带大量的燃料。

人类文明的发展,需要掌握这项技术。


文/杜若,图片来源网络侵删。

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核聚变所需要的条件虽然苛刻。但慢慢会实现的。为了应急能源?。我认为不妨先开发磁动力。这一能源也是续程较长的能源之一。同时磁动力可能对核聚变兴许有一些帮助。因为高速旋转的磁场可封闭氢弹的爆发。这样的观点我好像说过。但愿对国家有点儿作用。

可控核聚变研究成功,而且小型化商品走向了市场,那好极了!如果小到床头柜那么大,如果小到热水瓶那么大,汽车、游艇、飞机、电摩托等都可以一次加料,航程无限,甚至出现机械本体换了几代,能源瓶还没用完。能源也可以家庭化了,一台袖珍核聚变发电机提供家庭所有用电量陪伴家庭的初建、发展和裂变的全过程。核能小型化,核能电池化一直是现代人梦寐以求的产品,谁攻克了这高峰,谁就是人类发展史上又一个伟大的科学巨人。

短时间可控核聚变技术最大的效应应该就是电力!一台初具规模的聚变反应堆“炉子”可以抵消全球几乎所有的热电发电总和的能量!而却这玩意还只是利用水中氢原子无污染可再生!等实现核聚变规模化发电技术人类就会让聚变反应堆的尺寸缩小和能量益增率增加!大概在熟练掌握可控聚变技术20年后我认为我们会在飞往深空的飞船中标配!宇宙空间中虽然接近真空但拥有大量氢元素!这是纯天然的聚变燃料!一旦核聚变引擎出现我们的飞行器会比现在最快的帕克探测器至少翻上几百倍!达到光速百分之几!全球兵家必争之地从此不会之关注中东!整颗星球将拥有取之不尽的能源!最最关键的是(高密度能量系统的出现)我们的高能物理学将迎来史无前例的临界值爆发点!寻找到更加有意思的超级能源系统!到时候人类应该可以进入一类文明!到时候我们会在短短不到一个世纪内突破一类文明的束缚达到神级二类文明!所以说可控核聚变技术是目前人类文明技术大爆发时代的转折点!

先来定义一下,怎样才能算是“可控核聚变研究成功了”,核聚变不是随随便便就可以点燃的,我们需要先向反应炉输入能量才有可能从中得到输出的能量,这里有一个被称为“Q值”的衡量指标,它指的是输出能量与输入能量的比值,我们可以看到,只有在这个“Q值”大于1的情况下,可控核聚变才会实现输出能量大于输入能量,才能变得具有应用价值。

由于我们并不能对核聚变产生的能量进行 100% 的转化,理论上来讲能达到40%至50%就非常了不起了(顶天了也就是70%),再加上其他的各种损耗,我们可以粗略地认为,在这个“Q值”等于2.5的时候,可控核聚变就可以“保本”了。

显而易见的是,光是“保本”是不行的,考虑到庞大的基础设施以及后续的维护成本,科学家普遍认为,可控核聚变的“Q值”至少要大于50,才能算是研究成功了(当然这个“Q值”是越大越好)。

做好了这个定义之后,我们再来讨论一下,如果可控核聚变研究成功了,短时间内有什么魔改用法?

最直接好处的就是极为廉价的电力,当人类实现了可控核聚变之后,就可以完全抛弃现在所用的对自然环境影响极大的化石燃料,可以将几乎所有的机械设备都转为使用电能。然而可控核聚变的魔改用法不是只有“廉价的电力”这一选项,事实上,如果实现了可控核聚变,人类就可以具备操控物质的初级能力,为什么这么讲呢?且看下文分析。

宇宙本身就是一个“魔改大师”,它用的原料就是我们很“熟悉”的原子,各式各样的原子通过不同的排列组合,就形成了世间万物(当然也包括我们人类)。虽然宇宙中的原子数量多得难以计数,但是它们的种类却很少,根据目前的认识,在宇宙中能够自然存在的元素仅仅只有92种,它们就存在于我们的身边,只不过大多数都通过化学键组成了没有什么价值的化合物。

我们平常接触到的所有物质变化,其本质几乎都是化学键的断裂与连接,而操纵这一切的就是能量,也就是说,只要有足够的能量,这些化学键就可以被摧毁或建立(比如说水是由氢原子和氧原子构成,只需要向水里注入足够的能量,就可以将水分解为氢气和氧气)。

实现了可控核聚变,就等同于拥有了几乎无限的廉价能量,人类完全可以利用这些能量来操控化学物质的分解与合成,将没什么价值的化合物分解成原子级别(只要不计能量消耗,这很容易做到),然后再将它们“分类打包”,这样就可以按照不同的“配方”合成自己所需要的特定物质。

不要小看了我们人类在化学方面的造诣,在1965年我们就合成出了非常复杂的人工蛋白质,时至今日,我们在化学方面的本领更是进步了太多,可以说只要有了足够的原料以及能量,就算以我们现在的科技,都可以合成出我们平常所需的绝大部分物质,甚至我们的食物,也可以通过这种方法来制造出来。

可以想象的是,届时人类就成为了“初级造物主”,能够利用可控核聚变这种清洁能源来合成自己想要的物质,而不再对地球进行破坏,随之而来的是,人类对的大自然的影响将极大地降低,地球上的生态环境也可以在短时间内得以全面恢复,令人担忧的全球变暖问题也会因此而彻底地消失。

可控核聚变是星际航行的基础配置,可以一劳永逸地解决星际航行时的能源问题,在不太遥远的未来,当可控核聚变小型化以后,人类就可以真正地踏上星辰大海之路。像这样强大的技术必定不是轻易就可以研究成功的,从目前的情况来看,人类的可控核聚变之路似乎还非常的艰难,不管怎么样,我们都应该感谢那些为人类默默奉献的科研工作者,正是有了他们,我们现在的世界才会如此的多姿多彩。


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如果核聚变研究成功,为人鋪平移民外星球之旅,减少地球人能源之争,可携手外星共逰,欣赏遥遥宇宙之美。

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