無限清潔能源——可控核聚變到底有多難實現?

上一期吧啦了一些對未來可控核聚變技術的展望,展望歸展望,最終還是得回到現實中來。可控核聚變技術有多難?為什麼我們還沒有用到可控核聚變技術發出的電呢?原因就在於核聚變的反應條件,上億度的高溫以及高壓,這幾乎是太陽內部的環境。其實這樣說有些本末倒置,恆星的反應原理是靠巨大的引力擠壓原子產生高溫高壓,使氫原子核(確切的說是質子)發生聚變反應產生能量。可控核聚變就是模擬那樣的環境來製造恆星,更基本的原理就是讓兩個質子儘可能靠近,靠近到一個普通原子直徑的萬分之一,只有在這樣的距離下,原子核內部的強結合力才會起作用,克服質子相同電荷引起的電磁斥力。


無限清潔能源——可控核聚變到底有多難實現?


這裡需要科普一下基本力的簡單分類,世界上的力一共有4種,強力,弱力,電磁力和引力。

強力是作用於原子核內極端距離的最強作用力,它是構成原子核的關鍵,這也就是為什麼原子核內質子都帶正電,卻還能結合在一起的原因。看過三體的朋友應該都對水滴印象深刻,它就是三體人擴大強力的作用範圍,從而製造出了堅不可摧的東西,所以水滴不需要花裡胡哨的手段就能直接通過撞擊摧毀整個人類艦隊。


無限清潔能源——可控核聚變到底有多難實現?

水滴



弱力對特定元素的放射起到制約作用,力量相對較弱,這就是某些元素有半衰期的原因。而我們平時生活中那些所謂的壓力,摩擦力,衝擊力等等都是微觀層面電磁力的宏觀體現。比如人與人接觸產生的壓力,其實是微觀層面原子外圍電子雲之間的電磁斥力所致,嚴格意義上來說這裡並沒有發生接觸。最後一種引力是4種力中最弱的力,但它的作用距離幾乎無限,是我們都很熟悉的一種力,這裡就不多講解了。

剩下要講的就是溫度,溫度的微觀實質就是“粒子”做無規律運動的劇烈程度,核聚變就是要在高溫高壓的作用下讓單個質子擁有更強的動能,使兩個質子得以暴力衝破電磁斥力的作用,進入原子核強力的作用範圍內就能聚合在一起。只是恆星內的聚變反應可以更為徹底,它可以將質子與中子沿著元素週期表的排位從氫一直聚變到鐵。鐵以上的元素聚合就需要吸收能量了。其實自然界大部分元素就是恆星的核聚變反應制造出來的,剩下更重的元素則是大質量的恆星超新星爆發或者雙中子星合併產生的。


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雙中子星合併


通過以上這些條件不難看出要創造上億度的高溫很難,像氫彈這種不可控核聚變反應也是需要一顆原子彈產生高溫來引爆的。現在主流的可控核聚變反應裝置是託卡馬克裝置,把氫原子剝去電子,以離子的狀態在磁場的作用下高速運動,並運用不同方向的磁場使等離子體內部產生電流實現歐姆加熱點火。當溫度達到反應溫度後用微波做為能量輸入保持超高溫,同時在強磁場約束下保持等離子體不接觸實驗容器壁,畢竟上億度的高溫沒有什麼材料能夠承受。去年我們位於合肥的託卡馬克裝置“東方超環”實現了101.2秒持續聚變反應,打破了世界紀錄。在自豪與驕傲的同時,我們也要明白為什麼只有101.2秒,畢竟達到那樣的高溫高壓並保持穩定實在是太過於困難,外圍的約束磁場需要的超導材料要接近絕對零度(-273攝氏度),這是冰火兩重天的最高境界了。如此巨大的能量作用於如此小的尺度,以我們目前的最高精度都顯得粗糙無比。


無限清潔能源——可控核聚變到底有多難實現?

託卡馬克裝置


除以上地獄級的技術難題,國際政治因素也不一定會一馬平川。畢竟這項技術如果一直是中國等後起之秀的國家保持領先,在以石油掌控話語權的歐派克國家,以及因美元與石油掛鉤而確保美元霸權的美國必然是不會輕易放棄這種空手套白狼的買賣。當然,發展的阻力並不能真正的阻止發展,未來的可控核聚變照耀下的世界是怎樣的我們並不清楚,但可以肯定的是那個時代一定是充滿光明和綠色的。

有關於可控核聚變的內容到這裡就講完了,這兩期內容並不能真正講完可控核聚變,只是相對粗淺的內容,若你有什麼不一樣的看法,留言到下方評論區,順便關注一下唄~


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