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可控核聚变,能否成真

2022-06-23科普中国

环境与生活 2022年5期
关键词:核泄漏核聚变消耗

科普中国

身处于一个科技爆炸的时代,几乎每天都有新的事物产生,但在所有预期的未来科技中,最受瞩目的无疑就是可控核聚变了。

为什么人类对于可控核聚变的关注度如此之高呢?因为这是一个不同于其他技术的变革性技术,它的成功将会彻底改变我们的生活方式,将会使人类文明迈入一个新的发展阶段。能源是文明发展的基础,文明越是进步,对于能源的需求就越大,如果能源的获取方式得不到改变,文明也就很難继续向前发展。就拿现在人类所使用的化石能源来说吧,它就是制约人类迈向星辰大海的关键因素。化石能源太重了,以至于重达3000多吨的运载火箭,其有效载荷只有百吨左右,如此这般,我们怎能飞向星辰大海呢?

可控核聚变就不同了,它效率极高且十分稳定,如果可控核聚变真能实现,远的不说,至少我们可以在太阳系内自由航行了,科幻电影中的宇宙飞船也将变为现实。

可控核聚变的另一优点就是清洁,相比化石燃料所产生的污染,核能无疑是清洁的,不过传统的可控核裂变还是会产生一定的放射性废料,而且一旦发生核泄漏事故可能会给周围地区带来重大的核污染。但可控核聚变不同,它能在自然条件下稳定反应,既不会产生放射性废料,也不存在核泄漏的风险。可控核聚变这么好,它到底是什么原理呢?

简单来讲,可控核聚变就是让两个轻原子在高温高压的环境下相撞,聚合成一个重原子,而在这一过程中会产生质量损失,损失的质量则会以能量的形式被释放出来。

由质能方程可知,能量等于质量乘以光速的平方,所以些许质量损失都会转为巨大的能量。具体来讲,可控核聚变所需要的原料到底是什么呢?有人说是氦3,的确,氘和氦3可以进行核聚变反应,而月球上又有着十分丰富的氦3资源,但问题是这种反应的技术难度相对较高,属于第二代核聚变,而现在我们所研究的还是技术难度相对较低的第一代核聚变,而其所使用的原料就是氢的两个同位素,氘和氚。

地球上的氘和氚丰富吗

氘是很丰富的,我们知道地球这颗蓝色的星球最不缺的就是海水,地球表面71%的部分都被海洋所覆盖,而每升海水之中就含有0.03克的氘,算下来,地球海洋中的氘就多达40万亿吨,如果只是用来进行可控核聚变反应,那么可以说是取之不尽用之不竭。

与氘不同,地球上的氚是十分稀少的,因为氚虽然是氢的同位素,但它却是一种放射性元素,而这种具有放射性的元素的半衰期又很短,只有12.43年,所以自然界中即便有氚,很快也会衰变为其他物质,不可能长期保存下来,而自然界中又几乎没有可以自然合成氚的条件。地球上的氚如此稀少,而可控核聚变又少不了它,怎么办呢?只能人工合成了。

从原理上来讲,要合成氚并不是一件太过困难的事情,只需要用中子轰击锂就可以得到,而在现实之中,想要制造合成氚,可以采用气液催化交换技术以及特种电解技术等。其实,人工合成氚并不难,难点在于消耗和成本。研究可控核聚变是为了获取能源,而制造氚的过程必然要消耗能源,而且后期约束聚变反应同样也要消耗能源,那么消耗与产出是否能成正比呢?虽然现在有很多人工合成制造氚的技术,但成本都十分高昂,想要大批量生产还是困难重重,这也是可控核聚变研究过程中要面临的一个难关。

除了原材料获取方面,可控核聚变面临的难点还有很多

太阳之所以能够发光发热,就是因为其内部的核聚变反应,所以可控核聚变又被称为“小太阳”。但与太阳不同的是,太阳内部的压力很高,但地球上无法产生如此巨大的压力,所以要促成聚变反应就需要更高的温度,这一温度已经远远超越了已知所有材料的熔点,那么用什么东西来支持聚变反应的进行呢?目前的研究方向主要是磁场约束,可想而知这条研究之路上是遍布荆棘的。有科学家认为可控核聚变的实现还有百年之久,也有人乐观地认为几年就行,其实就目前的研究进度来讲,这些都只是没有根据的猜测,我们只希望能够在有生之年见到这一具有变革性意义的技术问世。DBCC80EB-DEE4-46E0-A39C-7CD0FF468B42

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