核聚变是不是人类在这个地球上唯一能让我们离开星系的能源了?

Marklandar


核聚变是不是人类在这个地球上唯一能让我们离开星系的能源了?

以现在的眼光看来,核聚变几乎就是我们最终的理想能源了,尽管在这个道路上依然困难重重,但我们仍然不遗余力的在努力着,并且已经过了黎明前的黑暗,光明似乎总是差那么一丢丢,至少我们已经看到曙光了!

核聚变的原理很简单,如上所示四个氢核聚变为一个氦核的,丢失0.7%的质量,然后以E=MC^2的方式释放出来,由于燃料非常容易获得,因此我们一直都认核聚变是终极的能源!

但要获得原理如此简单的能源的条件近乎变态,太阳的内核温度1500万度似乎并不高,但压力高达340亿个大气压,我们无法实现如此高的大气压,因此只能退而求其次提高温度,但最低聚变条件的氘聚变温度需要5000万至1亿度

即使是最容易的氘聚变,也让科学家有些束手无策、黔驴技穷的感觉,个中的难点是超超高温的等离子体极难控制,加热温度保持机制也是难点,内壁耐热材料一样是难点,连内壁外的超强磁场线圈制造业是难点......但前途实在是太过无量,所以科学界对于核聚变从来都是义无反顾、前赴后继,诱惑实在是太大了!

以ms计的聚变等离子体保持过程,最后一闪就是熄火了.....

不说这种沉重的话题了,下面介绍下聚变的种类吧,哪个适合用在什么地方,了解下未来的用途

一、磁约束核聚变

1.托卡马克核聚变装置

托卡马克结构的核聚变装置

2.仿星器

仿星器结构的核聚变装置

二、惯性约束核聚变

激光点火的NIF(国家点火装置)

当然以上无论哪种实现商业化都是对未来发展巨大的帮助,但几种结构中,惯性约束核聚变是比较适合宇宙航行的,因此我们的飞出太阳系的希望寄托于惯性约束核聚变了。

这个尾部中心闪光就是想象中的惯性约束核聚变的希望之火,理论上装备这种发动机的飞行器可以达到光速1%-10%,这一个非常有诱惑力的速度,它将使得我们能在40-100年内到达比邻星,看上去似乎仍然非常漫长,但这已经是我们能够达到的极限了。

除非未来实现跨越狭义相对论框架的发动机,但我们依然需要为其提供能源,无论如何核聚变都将是未来可以预计的时间内的终极能源,也将是我们以后宇宙航行中为之依赖的不可或缺的未来!


星辰大海路上的种花家


以目前的科学水平来说,核聚变确实是人类离开地球、探索深空最可能实现的能源方式,并且人类也正在做这样的事。此外诸如虫洞旅行、曲率引擎等等,目前来讲只能在科幻电影中实现。


为什么如此看好核聚变呢?

相比于传统的化学火箭,核聚变动力更加持久。

我们目前航天用的都是化学火箭,不过它的能量效率很低,登月使用的土星五号火箭,起飞自重就达到了三千多吨,可以想象,如果要载人飞出太阳系,那得需要多少燃料?而且我们不能和旅行者一号比,它只是个探测器,飞了35年才脱离日球层,很显然我们不能让宇航员等35年

可控核聚变装置又被称为“人造小太阳”,因为太阳的能量就是通过聚变释放的。如果我们能做到控制能量释放的速率,并且一定要持续,之后再小型化应用到火箭上,

那基本就算是成功了

还有其他的推进方式吗?

有,比如光帆、虫洞、反物质引擎等等。

光帆就是利用光压前进,此前霍金先生启动过“突破摄星”计划,打算绕一批微型探测器,靠激光加速飞到相距4.2光年的半人马座a;

虫洞就是抄近路,在两点之间打开时空洞口,进行穿梭,目前来看,几乎等于幻想;

反物质引擎,就是利用正反物质湮灭产生100%的能量做动力,这个比核聚变厉害多了,不过反物质的制作和储存太困难了。但这并不妨碍科幻小说,对它的大量使用。

期待您的点评和关注哦!


赛先生科普


目前来看,在可以预见的未来,比如在未来100~500年之内,也只有利用核聚变技术为宇航活动提供能源。人工核聚变是一项很有前途的技术,目前正在日以继夜的攻克。核聚变,它是太阳等恒星能源的来源,对能源的利用率比较高。过去,我们人类想要发射一枚火箭到太空去,通常用的是化学火箭,通过给火箭灌注大量的化学燃料,用化学能把火箭推送上天。化学火箭一直是航天业的主流产品,优点是技术简单,容易获得,缺点是效率低下,火箭体积过大。而核聚变技术可以克服化学火箭的缺点。钱学森是著名的火箭控制专家,他在20世纪30年代末就构想过利用核聚变技术把火箭发射到天上去。你是不是大跌眼镜?要知道,当时可是30年代,不是60年代,70年代,当时"火箭"这个词汇,仅仅出现于科幻俱乐部会员之间的交流,钱学森的老师为了避免让民众认为火箭太科幻,而把实验室改名为"喷气实验室"。当时,不要说核聚变火箭,就是化学火箭,对大众来说都是一个科幻上的概念。但是,钱学森具有超越时代几十年的前瞻性,他还国内的时候,就提出了核聚变火箭的概念,让人惊叹他的创造力。现在,美国人制定了一个远征火星的计划,打算用火箭把几名宇航员送到火星地表上面去。由于路途遥远,需要一年半左右才能到达,用传统的化学火箭已经不够用,所以需要开发人工核聚变的火箭。这个技术难关主要在于体积的小型化,目前美国科学家已经取得了一定的进展。预计最早到2025年,真正可靠的人工核聚变火箭就可以完成制造。至于科幻小说之中的其他"能源",比如,什么反重力技术,什么真空零点能量,这些概念都过于超前,在理论上还仅仅是假说,没有得到证实。如果要开发出这些概念科技,至少在目前是完全无法想象的,完全没有头绪。所以,在可以预见的未来,核聚变火箭还是宇航局的首选。


怀疑探索者


目前,人类尚没有把任何人造物体送出太阳系,而人类本身也没有突破地月系,究其原因,最主要的就是因为能源问题,人类尚没有有效的能源用于宇宙航行。

在动力学中,我们用比冲量来衡量火箭引擎效率,它的定义是火箭发动机每秒消耗单位质量推进剂产生的推力,或者是单位质量推进剂产生的冲量,单位是秒。比冲量越高,表示火箭发动机的效率越高。目前人类在航天领域普遍使用的能源是化学燃料,但这是一种非常低级的能源,能量释放效率非常低。

使用化学燃料的火箭被称为化学火箭,分为固体火箭和液体火箭,其中固体火箭的比冲量为290秒,液体火箭的比冲量则是300至453秒。在一些航天器上,我们还使用核动力作为能源,比如说著名的旅行者一号,就是使用核电池作为能源。目前人类使用的核能都是核裂变产生的能量,这种能量比化学燃料要高级,比冲量可以达到几千秒。但是,核裂变火箭的推力较小,只适用于无人的远距离航天器。

核聚变是人类在近期有可能掌握的新型能源,相比于核裂变,核聚变的效率更高。目前,人类往返火星需要四年,而如果使用核聚变火箭的话,将缩短至两个月左右。相比于反物质引擎、曲率引擎等更加“科幻”的技术,核聚变有着坚实的理论基础,虽然技术上还有一些问题,但它是最有希望实现的新能源了。


川陀太空


核聚变是目前已知的、人类有望近期能够掌握的革命性能源技术,一旦可控核聚变技术成熟,那么我们就可以利用,比如拿来发电,拿来作为宇宙飞船的动力,这一切在200年内应该能够普及。由此可见,核聚变也应该是这个地球上唯一能让我们离开太阳系的能源,但是也不是绝对的。因为在新能源领域,还有潜在的能源,比如反物质推动、曲速驱动等,都是很有潜力的星际航行技术,只不过这些技术距离我们太远,甚至连个理论基础都没有。

核聚变不一样,工程样机就摆在那里,不论是德国Wendelstein 7-X,还是麻省理工托卡马克聚变反应堆,都具备了一定的成熟度。德国Wendelstein 7-X已经开始运行,多次试验证明其能够输出能量,其造价达到10亿欧元,可以模拟产生恒星内部的极端环境,利用核聚变产生能量。核聚变技术距离实用化还有数十年的距离,因为目前的一些技术基础还不能克服,核聚变反应堆主要两类,一个是托卡马克核聚变装置,另一个是仿星器核聚变装置,后者使用3D磁场控制,前者使用2D磁场来控制。

美国能源部物理学家和德国科学家对Wendelstein 7-X多次试验表面,3D磁场控制的仿星器核聚变装置安全系数更高一些,磁场在仿星器中扮演非常重要的角色。从目前看,核聚变当然是唯一能让我们离开地球的能源,但距离离开星系还远着,因为银河系直径10万光年,依靠核聚变也无法飞这么远。


太空伊卡洛斯


人工可控核聚变是目前人类最希望突破的能源之一。

以核聚变发动机为能源是近期可能实现星际旅行的最有效的方式。

核聚变是太阳等恒星的能源来源,人类上世纪已经实现了人工核聚变,当然是也不可控的方式氢弹爆发的方式。通过氢弹中原子弹的首先引爆产生的高温高压实现点火,利用惯性约束高温等离子实现轻核热聚变,聚变能量在瞬间释放。

对于人来来讲,地球也并不能一直使我们平安的家园,我们总要走出这个星系,去寻找更多的资源。那么可控核聚变发动机就是人类实现星际旅行目前最有可能的方式了。

目前地球上,对于能量缓慢释放的可控核聚变,难度主要在对高温等离子体的约束,目前人类对可控核聚变反应堆的研究也有几十年了。目前有希望的途径是磁约束和激光惯性约束。磁约束目前各国研究喝多,常见的磁约束装置是托卡马克聚变实验堆,世界上有美国,德国,中国,俄罗斯等国都建立了可控热核聚变反应堆。当前都还处于基础研究阶段,可望在几十年内取得突破。

题主提问中还问到核聚变资源的消耗,对于氢来说储量不是问题。

对于核聚变的燃料来讲,主要是氢及其同位素,在地球大气,海洋以及宇宙中都有丰富的氢,对于太阳这样的恒星,每秒钟都要燃烧掉上亿吨的氢。相比核裂变反应堆需要的铀等重金属资源,氢这种核聚变资源可以说是取之不尽,用之不竭的。

前面谈到核聚变也并不是人类星际航行的唯一能源,只是目前最可能突破和实现的能源方式。其他诸如反物质飞船,曲率驱动飞船这些目前尚在理论探索中,只能暂时出现在各种科幻作品中。


量子实验室,欢迎评论和关注。


量子实验室


答:能源这块,和我的大学专业联系挺紧密的,我来谈一点我的看法。


可控核聚变,无疑是人类最迫切希望得到突破的技术,我们的科学家已经研究了半个世纪。要想实现星际航行,没有可控核聚变的话,别说离开银河系,就算离开我们太阳系都是很难的。

我们来分析一遍,目前人类的所有能源方式的特点。

一、传统化石能源

包括煤炭、石油和天然气,目前人类对化石燃料的利用已经达到了顶峰。

以目前的开采速度,全球的石油和天然气还能供给50年,煤炭还能供给100年;对于中国,不从外进口的话,石油和天然气时间缩短近1/5,煤炭稍微多一些。



化石燃料对环境污染非常大,这也是化石燃料的诟病;化石燃料唯一的优势,就是开采技术和利用效率,已经达到了很高的水平,技术可以说相当成熟。

化石燃料的特点,决定了它只能解燃眉之急,未来肯定是靠不住的。


二、水利发电和风能

之所以放到一起,是因为这两个能源有很多共性,首先两者都算是清洁能源,而且都是取之不尽用之不竭。



但同时,两者都会对生态环境造成一定的影响,水利发电影响降水;发电的选址由地理条件决定,灵活性较低,现阶段无法代替火电。

对于未来的星际航行,除非人类发明高效的能源储存技术,否则对星际航行起不了多大作用。


三、太阳能和氢能(氢气)

这两个能源,算是清洁能源中的佼佼者,如果两者同时得到突破,那么人类在地球上的能源消耗,完全可以替代掉化石能源。



太阳能取之不尽用之不竭,氢能(氢气)具备高能量密度,我们可以利用太阳能分解水得到氢气,而氢气方便运输和储存。

在太空中,太阳能更是源源不断;但是,对于超出太阳系的星际航行,太阳能的获取将大大打折。


四、其他新能源

比如可燃冰、生物质能、地热、潮汐能等等,目前技术不成熟;但是也存在各自的局限,可以作为未来能源的补充,要想成为人类能源的主导,不太可能。




五、核能

核裂变的最大缺陷,就是废料的核污染,而且地球上核裂变的燃料(铀)也是有限的。

氢同位素的核聚变过程,没有任何放射性废料产生,释放的能量比核裂变大,而且氢的同位素在海水中大量存在,完全足够人类使用数亿年。



如果以氦-3作为核聚变燃料(3He+3He→4He+2(1H),ΔE=12.860MeV),聚变过程就没有中子产生,意味着不会存在核辐射,是相当清洁的能源,而氦-3在月球土壤中大量存在。


我国属于能源大国,对未来能源的重视度可想而知。目前,国家大量扶持风力发电和太阳能发电,就是为了在未来摆脱化石能源的限制。

对于可控核聚变,关键的技术之一是核聚变的点火,目前主要方式有激光点火和磁约束点火(托卡马克装置)。



比如美国的“国家点火装置”,就是研究激光点火;国际合作的“国际热核聚变实验堆计划”,研究的是托卡马克装置点火;对于中国科学院等离子体物理研究所,也有自己的托卡马克装置。


可以说,无论从那种角度来看,核聚变都是人类现阶段,有可能掌控的终极能源之一,人类要想进行星际航行,除了可控核聚变外,确实没有更合适的能源能够替代。

缺点就是可控核聚变技术,貌似遥遥无期,不知道我们这辈子能否看到?




好啦!我的答案就到这里,喜欢我们答案的读者朋友,记得点击关注我们——艾伯史密斯!


艾伯史密斯


看了不少回答,我想用回数学解答的模式更严谨些。起码尽量大家都看得懂,而不是翻炒着网罗来的旧饭。下面仅仅是以我个人的见识以及一些推断。答案:是的。先不说太阳系,整个地球的可用资源是有限的。我们目前用得最多的就是化石能源。自第二次世界大战以来的小战不断,很大程度来讲,也几乎都是围绕着能源这个主题展开的。化石能源再怎么抢,地球上总量也就这么多。当地球上所有的资源越来越少,人类越来越多,却依然无法飞出地球在太阳系内获取资源的话,那就只有一种办法可以保存人类的火种:通过战争来大量减少人口以获取更多的时间。核聚变是目前人类所有能源开发项目中最有希望的一种获取大量能量的方式,无论是在理论上还是实践上。其他的要不产率低下,只能作为一种辅助手段,要不就是连最基本的实验理论基础都没有,纯属幻想。目前所有的大推力航天器都是使用工质燃烧的方式来获取离开地球的动力。上百吨的火箭才能送那么一点东西上太空,更别说从太阳系其他的行星获取资源反哺地球了。连一个人类登月都这么困难就可想而知了。另外,似乎目前的科学研究也达到了一个瓶颈,无论是理论研究还是实验方面。如果,其中的地球最大的粒子对撞机(位于欧洲)可以频繁的实验的话,会有更大的几率获得突破。可还是回到了老问题:资源问题。几十上百公里的粒子对撞机动一下得耗多少电,要换多少零部件啊。没有一个国家能单独付的起这代价。如果有了核聚变这种可以大量获取廉价能源的方式,一个星期来一次都是有可能的。既然核聚变这么有前途,为什么各个国家不把重心都放在加速开发核聚变能源的项目上呢?我所了解到的:因为目前类似于磁约束核聚变等方法不明朗。如果有外星人说,朝着这个方法就对了,那国家才会真正的重金支持。


2017十月一我是马后炮


目前来看,核聚变是最可行的。但是以后不好说。我的一点粗浅理解:物质、能量、时空都只是宇宙的多个维度,也就是说他们是一个坐标系的不同坐标轴。但这些坐标轴之间并非完美的正交,因此一定条件下可以实现相互转化。所以有了相对论,有了导出式质能方程。

将来应该还会发现其他要素也能够相互转换的。但是因为这些坐标轴的正交度很好,接近完美,因此要实现相互转化条件极为苛刻,因此目前的技术很难掌握。

核裂变和核聚变不过是这一个坐标系内两个坐标轴之间最简单的转化的实例罢了。但将来科技进步了,人类或许能够掌握这些坐标轴转化的条件,实现更高层次的能量利用。

又或者,人类的智商存在理论极限,因此最终突破这些理论的是人类创造的某种智慧生命,而并非人类本身。


逆水行舟70956


个人设想,现在人类只不过探索到了下一阶文明能源的制取方向,就是可控核裂变,但是能量的释放形式现在还远远触碰不到。裂变的能量释放形式个人觉得应该是场。再下一阶文明的能源是物质或者叫反物质,其能源的利用或者是释放形式是时空。


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