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为什么说不谈Q值的可控核聚变都是耍流氓?

2018-12-12 16:21admin中国电力时空网

从19世纪末汤姆逊发现电子以来,人类逐步揭开微观原子世界的奥秘。此后随着各种放射元素的发现以及爱因斯坦著名质能方程的提出,为最终人类实现核能的应用奠定了可靠的科学基础。1942年世界第一座核反应堆在美国诞生,随后人类就加速了核能的应用进程,不过可惜的是首先应用于战争与武器,这就是美国在日本投下两颗迄今唯一用于实战的原子弹,随后才是1954年世界第一座商用核电站在前苏联建成。

为什么说不谈Q值的可控核聚变都是耍流氓?

核能有三种形式,分别是核裂变、核聚变和核衰变,其中能为人类提供大量能量的是裂变能和聚变能。根据爱因斯坦的质能方程,只要核反应前后有质量上的衰减,就会释放巨大的能量,核裂变是较重的原子核分裂之后出现质量损失而产生能量,而核聚变则相反,是较为轻的原子核聚合在一起而产生质量衰减,两者一分一合,只是反应方式不同。

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其中较容易实现的是核裂变,而核聚变就比较困难了,因此利用裂变能的核武器原子弹问世要早于利用聚变能的氢弹。然而一般来说核聚变产生的能量比之核裂变更为强大,理论上从质能转换率来看,核聚变为0.7%,而核裂变为0.13%,仅为聚变的四分之一左右。

然而更重要的是核聚变的原料可以从海水中提取,取之不竭用之不尽,而常见的核裂变反应原料铀235储量稀少,另外核聚变几乎不会产生放射性的污染物,清洁安全也是核裂变反应难以比的。这是多么令人类神往的完美能源,要知道我们头顶的太阳就是靠着核聚变反应维持的。所以如何利用核聚变为人工提供无穷无尽的能源,成为人类自发明火(化学能)、电(电能)后实现下一次文明飞跃的关键所在了。

为什么说不谈Q值的可控核聚变都是耍流氓?

那为什么核聚变能的稳定获取比之核裂变要难得多?其实氢弹也是运用,但那是破坏性的,不能持续为人类文明生存发展提供能源,就姑且不说了。最主要的原因还是两种反应所依据的核物理规律不同。核裂变的原子核质量较大,而且本身不稳定,所以只要常温常压的环境就能实现裂变反应,而核聚变反应则不同,要克服原子核之间巨大的静电排斥力,没有足够的能量或特殊环境,去击破这排斥力的临界点,就无法把原子核融合在一起,从而释放巨大能量。

所以问题关键就到了如何为核聚变创造特殊的高压高温环境。以大自然最常见的核聚变反应——太阳来说,巨大的质量使其内部形成达2000亿个大气压的超高压力,再加上1500万度的温度,就可以把氢原子聚变成氦原子。可是换成人类在地球上来实现这个过程的话,由于这个超高压条件完全无法达到,就只能在高温上下功夫了,所以需要把温度提高到上亿度才行。

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好在现在人类用于可控核聚变研究的实验装置,可以实现超高温度和高压环境,比如国际合作的ITER项目和中国的EAST东方超环装置。那么实现核聚变的前提条件得到满足了,是否意味着后续聚变能就能顺利为人类所用呢?这里牵扯到问题不仅仅是工程技术上,还有一个商业产出的问题。

为什么说不谈Q值的可控核聚变都是耍流氓?

实际上,现在的实验装置已经算实现了“可控”核聚变,比如合肥的EAST托克马克就在国际上首次实现温度达到5000万度持续100秒以上的放电。然而核聚变过程可控是一回事,而商业利用聚变能又是更高一层的要求。所以必须要按照科学家的精确语言来描述,必须是输出能量大于输入能量,这个比例称为Q值,自然是越大越好,成本花费越少,获得能量越多,这笔买卖才是划算的。因为真正有用的可控核聚变必须要考虑投入产出比。

为什么说不谈Q值的可控核聚变都是耍流氓?

不幸的是,目前各国的核聚变实验装置,它们的投入产出比即能量Q值,基本上还在0的水平,并不产生能量,只是做做基础研究,个别装置能产生些许能量,但是远小于输入的能量,Q还是在0和1之间徘徊,因此人类追求人造太阳的梦想之路是任重道远的。

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不过,有梦想总比做咸鱼好,要知道核聚变可是恒星的能量源,这算是造物主最高的奥秘之一了,人类能够窥视并且一步步接近,已经很是逆天了,再加上如今科学技术的快速发展以及能源危机的逼迫,人类很有希望实现这一文明发展的新的里程碑。