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可控核聚变骗局?假如核聚变失败,人类未来的能源之路在哪里?

能源危机一直困扰着人类,尽管随着能源价格的上涨,开采成本更高的油田也变得有利可图,使得全球仍然有一丝喘息的时机,但石化能源最终是要耗尽的,现在的常规能源技术只是尽量延长这个最后“审判日”的到来。

从上世纪五十年代开始,科学界一直在可控核聚变上努力,到现在已经过去了将近70年,却仍然没有好消息,这核聚变到底能不能实现,万一无法实现,人类的能源出路又在哪里

核裂变不行吗?为什么非得核聚变?

第一个核裂变堆是194212月2日投入运行的芝加哥一号堆,但它只是实验堆,并不是作为发电使用。第一个商业化并网发电的核电站是苏联的奥布宁斯克核电站,1954年6月27日投入运行。

到目前为止,全球总共有600多座核电站,正在运行的有438座,占全球发电量的16%,按理说核裂变电站已经非常成熟了,为什么还要花大价钱瞎折腾核聚变?其实原因也很简单,核裂变电站的核污染太大了,每年产生的乏燃料棒根本来不及处理,只是在衰变热散失到一定程度时候将其埋入地下!

世界核电站分布

早期苏联还曾发生过乏燃料加热冷却水形成蒸汽爆炸,这就是鲜为人知的克什特姆城核事故,还有后来著名的反应堆失控的切尔诺贝利事故,以及311大地震后福岛核事故,当然还有大大小小数百起各种各样的核泄漏事故,一直就是悬在人类头顶的达摩克里斯之剑。

深埋处理

而核污染则来自重核裂变以及衰变过程中产生的各种不同半衰期的放射性同位素,其会释放出阿尔法射线、贝塔射线以及伽马射线,而后者伽马射线危害尤其大。

核聚变为什么那么难?

核聚变和裂变刚好相反,科学家现在正在努力的是氘氚核聚变,这两种都是氢的同位素,两者结合形成氦4,其过程中会产生质量亏损,通过质能等价公式E=MC^2可以计算出将会产生巨大的能量。

选择氘氚是它们的比结合能比较低,这是人类最容易实现聚变的两种聚变材料,而现在各国拼命在突破的也是氘氚核聚变!

最容易突破的核聚变,条件十分变态

都说氘氚最容易聚变,但其环境要求极其变态,比如它要求上亿度的高温,或者太阳内部的1300万K的温度和2500亿个大气压,当然地球上无法实现几千亿个大气压,所以只能想尽办法实现超高温度。

另外这么高的温度下,根本就没有任何材料可以去包容它,不过好在参与聚变的氘氚都已经被剥去了电子形成了等离子体,也就是说它是导电的,注入电流后可以在磁场的控制下约束在真空中聚变。但问题又来了,超高温等离子体极不稳定,约束时间不够久就达不到商业化聚变堆的要求。大致上难点在如下几个方面:

1、等离子体的性质研究不够透彻,这团等离子体部分电离,但整体又是电中性,有点像流体,又能与磁场相互作用,高温高密度(聚变要求)下等离子体的特性更加不可控,各种不稳定性、反常输运、高能粒子...一句话,无法稳定约束等离子体。

2、加热,如何对等离子体有效加热也是一个问题,等离子体开始时可以用欧姆加热,即电流通过导电物体产生热量,之后则可以用压缩波加热,还有荷电粒子束注入加热,湍流加热等,但没有一种不破坏约束,效率又高的加热方式。

3、电源,极向场的电流功率相位变化极大,需要提供击穿、维持等离子体运行的伏安数,堆状态下的电源必须超级耐操,但现在总是无法满足要求。

4、材料,第一壁材料热负荷极大,而且要承受中子的轰击(中子不受磁场控制,轰击会导致金属材料变性,变成其它元素,还可能有放射性),还要承受等离子体破裂时的破坏以及兆安级别的电流带来的磁场下作用力。

5、还有燃料问题,氘很容易获取,而氚则很难,而且有半衰期,成本据说要2000万美元以上一千克,不过可以用中子轰击锂-6产生,但前提是要实现聚变,因为氘氚聚变会产生一个中子,刚好可以用来生产氚,只是效率要特别高才行,因为一个氘原子和一个氚原子反应才有一个中子,而中子不受控制飞向四面八方,锂-6是不是要铺满聚变堆内部?

以上是磁约束核聚变的问题,还有惯性约束核聚变堆,原理很简单,氘氚燃料小球用激光轰击,然后高温导致两者发生聚变即可,听起来超级简单,但上百个聚焦的激光器会让人疯掉,另外燃料球加热的效率低到令人发指,所以通向罗马的道路没有一条是坦途。

聚变的进阶之路

氘氚聚变还是存在中子无法处理,更进阶的聚变是氘和氦三聚变,当然最理想的还是氦三和氦三聚变,没有中子辐射,简直堪称完美!

只是八字都还没一撇,核聚变道路,任重而道远!

万一无法实现核聚变,人类的能源中没解决?

核聚变堆难度极高,所以才会有人认为这就是人类在科学道路上遭遇的最大一个陷阱,由于它的前景十分诱人,因此科学家才可能掉进去却爬不上来!假如核聚变一直都无法实现,我们有替代能源出现吗?

地球上繁衍生息的能源

地球是人类文明的依托,所以在地球上混当然要仰仗地球的照顾,其实在地球上能源种类还是很多的,比如你所熟悉的可再生能源如太阳能、潮汐、风能与地热和水力资源等,甚至植物产出的油脂等生物能源,而且基本也能满足当前发展需要,只是在电能的储备上要再上1个数量级,电就能完全代替燃油了!

除了这些常规能源以外,核能还是可以考虑,尽管裂变堆有核污染和泄漏的风险,但在能源面前这些都可以克服,比如核泄漏,现在的第三代核电站这方面风险就小多了,而且增殖堆的出现,也可以让U-238这些无法使用的废物变成核燃料,成百倍的增加核燃料储备,当然也减少了核废料处理的数量。

宇宙航行所需的能源

即使无法突破核聚变,人类也要走向星辰大海,但在能源上就必须要选择一些,常规能源需要携带燃料和氧化剂,而且能量密度低,火星轨道范围内还可以勉强考虑,之外就鞭长莫及了!

太阳能也同样存在问题,土星轨道范围内,太阳能电池还能勉强凑合事,但其实到了火星轨道时单位面积能量就几乎减半了,离地球越远,收集的效率越差,所以太阳能也不靠谱。

国际空间站巨大的太阳能电池

最后只剩下了不太受待见的核裂变能,而且还必须开采小行星带的核燃料,否则人类大规模星际殖民时代,光靠地球上的核燃料可不行,而且发射过程中万一发生事故,凌空爆炸,估计发射场就被核污染报废了。

不过我们要说明一下的是核裂变无法在太空中“加油”,无法补给燃料,核燃料必须提纯,难度极大,所以飞行范围是比较有限的!而聚变燃料则比较容易获取,甚至有冲压聚变发动机,可以一路收集太空中的质子(氢原子核)以供自身燃料消耗,几乎没有飞行距离限制!

如果无法实现核聚变,人类的星辰大海事业可能会被困死在太阳系,而且还是狭义上的柯伊伯带以内,也许这就是太阳系牢笼说法的由来!