為什麼很多人都認為核聚變是人類的終極能源供應?

為什麼大家都認為核聚變是人類的終極能源供應?

包括從阿西莫夫的機器人銀河基地、克拉克的太空漫步、還是劉慈欣的三體,都沒有太多強調反物質的質能轉換,這應該才是最終的形態。

大劉的白堊紀螞蟻與恐龍提到了幾千萬年以前能夠玩反物質,但是當下地球和未來幾百年都沒有進入反物質(萬有引力號也還是聚變發動機)。當然了,三體已入。


因為核聚變既現實又科幻。

說它現實,因為描述核聚變的理論早就出來了,托卡馬克已經出現了五十多年,就連相關的實驗(包括磁約束與慣性約束)都進行了快三十年。樂觀一點看,現在的年輕人就可以看到核聚變的到來。

說它科幻,因為它的能量幾乎是不可想像的。

不 可 想 像

人類現在的能源總消耗率大約是10∧14W,做一個質能轉換相當於每秒消耗一克多一點的物質,再換算成聚變,考慮一下能量利用率的問題,也就是十幾千克到幾十千克的氘氚。

而這是全球的能源總量啊!!

想像一下,一個遍地是聚變電站的未來,能源就不會再是什麼需要節約的東西了。

提到核聚變,人們總是想起星辰大海。其實它還會有不少在地球上的應用,比如這個。

——徹底解決環境問題。

核聚變的成熟相當於可調動的能量上不封頂,也就是說我們可以通過暴力傾瀉能量的方式解決很多以前根本無法有效應對的問題。

水資源不夠了?水源被污染?沒關係,只要不出現污染嚴重到能夠腐蝕儀器的情況,我就可以用蒸餾的方式提供足夠的水源(這裡是誇張,實際上滲析之類的方法比蒸餾好不少),蒸餾需要什麼?能量啊,反正我能源無限,什麼,你說要冷卻?我液氮冷卻總行了吧,反正液氮就是冷卻壓縮 空氣製得的,我能源無限啊,冷卻劑基本不要錢啊!

.......以此類推.......可以發現聚變能普及之後很多瘋狂的計劃都可以輕易實現。

總結:這樣一種既現實又科幻的能源,自然是科幻小說首選。

什麼?反物質更科幻?聚變能和反物質對於目前人類的想像力而言都是無盡能源,為什麼不選一個更貼近實際從而可以使小說更嚴謹的呢?

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被問了幾次「過度使用聚變能是否會打破地球熱力學平衡」的問題,這裡就簡單說兩句。(物理系弱渣非此專業,如有錯誤屬本人水平有限,敬請包涵。)

那麼到底會不會打破平衡呢?

很不幸,如果不採用特殊手法的話,的確會。

地球總體上處於一個近似熱力學平衡的狀態,雖然大氣環流之類的活動十分劇烈,但是全球的平均氣溫還是基本上保持穩定的。近年來的全球變暖就是這種平衡偏移的結果。

地球的吸熱方式:接受太陽輻射。

散熱方式:地球的黑體輻射+大氣反射陽光+地表反射陽光再穿透大氣。

其中散熱方式的第一項幾乎無法改變,除非有人想讓地球變得不適合生命存在,第二項和第三項與具體的大氣成分與行星地貌有關。例如溫室氣體就會減小第三項,海洋結冰會增大第二項。不過為了保持地球的正常生態環境,這兩項的改變也是較為有限的。

為什麼過度使用聚變能就有可能悲劇呢?

本來地球的吸熱方式是只有接受太陽光照的,後來人類一折騰,海水中的核能經過一圈轉移之後會以熱能形式釋放出來,最終也會成為地球的「吸熱」。而散熱方式並未作出相應改變,地球的溫度自然也會上升。

不過辦法也還是有的:

1.可以減少地球從陽光中獲取的熱量,比如讓高層大氣布滿某種結晶以反射陽光,或者乾脆在太空中加上一層反射膜來起到相同的效果。

2.增加地表反射率,比如把沙漠整個熔化成二氧化硅鏡面或者在海洋上鋪滿單分子層的反光材料。

總之,有辦法對付就是了。都有了無盡能源,還要擔心散熱怎麼著。


關於題主的問題,其實最靠譜的答案是:反物質只是儲存能量的手段,而非產生能量的手段。

用反物質提供能量,邏輯很簡單,就是拿正物質和反物質互相湮滅,產生能量。反物質怎麼來?科幻小說中我看到過的有三種方法:

1、用能量無中生有地生產反物質

2、找到反物質礦,挖

3、有「點石成金」的科技,把物質變成反物質

頭兩種,反物質本身只是起到了電池的作用,並沒有「生產」能量的作用。而第三種方法,無疑太不「科幻」了。所以說,在目前的科幻體系中,反物質本身並不能作為一種普世有效的產能機制使用。

此外,一個人的幻想,很難超過他所處的時代。在三巨頭為代表的時代,核能還是個很新很時髦的概念,所以圍繞核能大做文章,也是很正常的(阿西莫夫還以為未來電腦的輸出方式是紙帶呢,可見大師的想像力還是局限於時代)

至於超脫現有物理框架的設想,那就是天馬行空了,各人有各人的想法,達不成一致,自然也沒主流想法一說了


人類目前利用的能源,除了核電,其它的無論是石油煤炭天然氣這些化石能源,還是水電風電太陽能潮汐電這些可再生能源,本質上都是太陽的核聚變提供的能量。農林畜牧,能量來源是太陽的核聚變。風雨雷電,能量來源是太陽的核聚變。


簡單說,人類使用過的所有能源,其根源都是核能。。。

化石燃料,是動植物吸收的光能存儲在地下而轉變成的,可以看做核能更容易被人類直接利用的中間形態。

這種中間形態,積累速度不高,而消耗速度蠻驚人的。人類社會近代幾百年,已經消耗了地球生態千萬年的能量積累。

所以自然而然的,在新的能量來源(真空坍縮,平行世界隧道,等等)未找到之前,直接利用核能是一個比較現實的考量。

反物質能源基本就是扯淡。現在人類連反物質礦都找不到。靠自己花能量做反物質?不如拿能量直接用了


科幻小說是幻想故事,不是技術發展路線圖。

在沒有發現反物質礦之前談論反物質作為能源沒有任何意義,這不是一個技術上的問題,一種全靠合成的東西怎麼當能量來源。核聚變的來源則相當豐富,其最終版本燃料應當是宇宙中最豐富的氫。


污染小(幾乎沒有)

能量密度大(完爆化石燃料100條華爾街)

釋放快(氫彈你造嗎)

原料廣泛(海里,月球)

就這些就足以完勝所有能源,哦,永動機除外,無論是一類還是二類,嗯,雖然現在幾乎所有主流科學都是建立在能量守恆和熱學第二定律上的,但夢想總是要有的,萬一實現了呢……


剩下的太虛無縹緲了。更高階的可能人類完結文明了都用不上。


因為,反物質從來都不是一種能源生產手段,而是能源轉換手段。

因為湮滅的性質,自然界不存可能存在宏觀上的反物質,不存在開採的可能性,只能製造出來,比如用對撞機一類的。

又因為能量守恆,你必須先投入大量的能量(不管是怎麼來的,燒煤,燒氣,裂變,聚變,用愛發電),存進去,然後用的時候取出來。

反物質存儲是手續費極高的大額貨幣兌換。可以兌換成十萬百萬甚至一億元一張的錢幣,隨身攜帶不重。(當然,錢包質量另外算)。

把零錢兌換成大面值手續費多少呢?非常非常高,可能是一萬倍,也可能是一億倍。花錢的時候,還得再收一道手續費。

我寧可身待一千張一百元的,也不願意花一個億換成一張十萬面值的。實在不行,也完全可以花錢雇一個人幫我扛啊。

這種一百面值的,大概就是核聚變了。

核聚變就相當於是小型印鈔機,原材料就是紙和燃料。現在是紙也有了,燃料也有了。只差印刷技術的技能點了。

excited


科幻是要在現實基礎下才可能更真實的反應出人們對外來的幻想

哪怕是現實世界,也要在可行性高的前提下將某種能源當做終極目標。

人類並未在自然界發現任何反物質存在,甚至反物質理論學說也只能通過物理實驗與理論學說互相驗證來推斷,在人類有能力星際航行前,並不可能真正意義上的接觸反物質,因為地球可探索範圍內,的確沒有反物質,可這也不代表預期中宇宙中就必然存在一些有特定環境能保存反物質的空間。

而反物質僅僅是一種供能手段,人類對反物質的學術理論還停留在如果把煤炭點燃的初級階段,還是在根本沒發現「煤礦」的前提下。

也許未來會發現可以大量製造反物質的方法,但肯定不會在現有階段和未來一兩百年內發現。

核聚變之所以是主流認為的能源來源,根本原因在於全宇宙中,核聚變是最為普遍的能量製造方式。

看看頭頂的星星,無論有多少,那些都是來自於太空中的恆星或被恆星反射出來的光芒,而恆星則是利用核聚變反應所形成的巨大等離子體。

它們在星空中有數萬億計,持續燃燒了額上百億年,也就是說這種產生能源的方式,是宇宙中最常見最普遍的,也最能被人快速觀察到的,我們的祖先在不知道什麼地球會自轉之前,就已經先發現了這些天空上的巨大物體。

但在宇宙里,你從沒能觀察或者用肉眼看見反物質如何如何的製造出某種存在,即便仍然有人類理論上仍然沒察覺到的角度導致反物質可以存在於先行宇宙中,也並不容易為人觀察,這意味著基於反物質的能量產生形式,在宇宙里遠不如核聚變多,越普遍的方法,也就意味著越容易安全掌握,否則宇宙間將充滿無處不在的高溫與爆炸。

當人類能掌握人工產生核聚變的技術時,等同於擁了對人類來說永久、快速、功能齊全的能源。

並不是說核聚變就一定是人類終極的供能方式,而是更遠的我們根本無法驗證和構架更完善的理論,這就是為什麼科幻小說始終只是科幻。

核聚變的基礎是人類踏入了原子能時代前奏所發現和掌握的核裂變技術,當更進一步拋棄劣質的方法後,核聚變才是人類社會在進入高度文明化期間第一種成熟的能源。

當然,最重要的是我們已經實質性的開始進行核聚變設置的工程與試驗,就許多科學家和科幻小說家的壽命而言,既有現實基礎又有幻想餘地的核聚變,肯定更適合創作,因為想要讓人感受到科學幻想的最大一個重點就是要跟現實緊密聯繫,徹頭徹尾的空想並不能讓讀者感受到共鳴。

為什麼很多無法解釋的黑科技來自於太空歌劇,還不是因為太過誇張在追求可解釋與可構思科幻的作品裡,很難解釋出一個可以讓讀者接納的緣由。

其他能源離現實太遠了。


在人類進入文明階段之前,地球是保持著一定的熱力平衡的,這個熱力平衡在大氣層的隔絕下,總體上是由太陽輻射的進入和地球輻射的逸出所均衡著,而這樣的熱力平衡維繫著非常脆弱的大氣層內氣候,為各種生物創造了宜居的自然環境。同時,地球上的各種物質中也貯藏著化學能、核能等各種形式的大量能量。

隨著人類開始使用火,木材作為燃料開始被使用,原本貯藏在木材中的化學能被釋放出來,進入了地球的熱力平衡中,同時微量的溫室氣體也隨著燃燒被釋放了出來,阻礙了地球輻射向宇宙的逸出,但這部分能量和阻礙作用的影響很小,幾乎可以忽略不計,因此熱力平衡幾乎不受影響。

而隨著人類發現了煤和石油並進入工業時代,煤和石油作為燃料開始被使用,原本貯藏在煤和石油中、被埋在地下的化學能被釋放了出來,進入了地球的熱力平衡中。因為這部分能量相對已經不少,同時燃燒釋放的過程中又產生了相當多的溫室氣體,從而非常明顯地阻礙了地球輻射向宇宙的逸出,所以地球表面的熱量開始大量增加,原有的熱力平衡受到了相當程度的影響,氣候均衡遭到破壞,人類現在正面臨氣候變暖的問題。
(需要強調的是,大量排放的溫室氣體所加劇的阻礙熱量逸出的溫室效應,比起釋放出來的熱量本身,對地球表面熱量增加所起到的作用要大得多。)

同時,人類還發現了鈾等放射性核物質,這些核物質被當做可控核裂變的原料開始被使用,原本貯藏在這些核物質中、被埋在地下的核能被釋放了出來,也進入了地球的熱力平衡中。但這部分能量的規模較小,對熱力平衡的影響不明顯。

現在,隨著人類對可控核聚變的探索,氘氚等物質將被當作可控核聚變的原料開始被使用,原本貯藏在這些物質中、沉睡在海水裡的核能也會被釋放出來,進入地球的熱力平衡。然而,由於可控核聚變一旦成功後所釋放出的能量將會是巨量的,即使它不會像化石燃料那樣再產生溫室氣體阻止地球輻射向宇宙的逸出,它對地球現有熱力平衡的影響、對氣候均衡的破壞作用也會是巨大的。除非人類能夠設計出輔助地球輻射向宇宙逸出的方案,使地球上被釋放出的過量能量逸出到宇宙中,否則氣候變暖問題將會急劇惡化。

因此,可行的解決方案,除了要高度重視對地球輻射向宇宙逸出效應的研究,儘可能與可控核聚變同步研發輔助地球輻射逸出的技術和設備之外,就是直接使用原來的熱力平衡中已經存在的太陽輻射。這些太陽輻射無論利用與否都已經進入大氣層而存在於地球的熱力平衡中,在使用前後都不會影響到熱力平衡,同時也不會再開發引入其他能量而破壞熱力平衡,從而也就在根源上阻止了氣候變暖問題的持續惡化。不過需要指出的是,要想在開發太陽能的過程中維持地球的熱力平衡,那麼對太陽輻射的攝取也只能在大氣層內進行。否則在太空中修建太陽能電站再將能量傳輸回地面,會攝取到本應被大氣層阻擋在外的、不應該進入到地球熱力平衡中的太陽輻射,從而也會破壞地球的熱力平衡,除非同時也採用地球輻射逸出的輔助系統。另外,太陽能技術目前還存在著很多瓶頸,例如轉換效率低、供能水平低、持續性差、貯存能力差、成本過高、製備污染高等各種問題,需要花大力氣突破。

至於題主對反物質能量的設想,其他知友的一些回答已經指出了問題,一方面這項技術還太過於尖端,另一方面實現成本也太高,在可預見的將來根本無法走出實驗室,更不可能規模化,只能作為科技前沿和技術儲備慢慢探索。而且它也同樣要面臨核聚變能量對地球熱力平衡的破壞問題。

人類文明的發展進步,一直伴隨著舊問題的不斷解決和新問題的不斷出現。遊獵採摘的原始社會不用擔心封建社會耕地擴張對森林和草原的破壞,而只有手工業作坊的封建社會也不用擔心工業社會溫室氣體的排放對氣候均衡的影響。如今的我們還沒進入可控核聚變的供能幾乎無限的時代,但未雨綢繆地思考能源的巨量使用和排放對地球熱力平衡的影響,提早應對其可能帶來的消極後果,應該是掌握了大量知識、對未來發展趨勢具備更強預測能力的我們優於祖先的地方,也是我們為後代可能面臨的問題預先進行防範、不再犯下工業化所造成的難以挽回的錯誤而應當承擔起的責任。

最後,這篇回答很大程度上受到知友 @袁寶寶 對本問題的回答 為什麼很多人都認為核聚變是人類的終極能源供應? - 袁寶寶的回答 的啟發,在這裡表示感謝。但她的回答的評論里充斥著無知的粗魯和狹隘的傲慢,令人非常失望,不過這也是一個已經大眾化和非嚴肅化的網路社區里無可避免的現實。

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據微信公眾號亞特蘭大華人生活網2017年2月13日消息報道(原文地址:中文首發 | 不插電不燒油給地球降溫,美國華裔科學家發明「廉價降溫塑料」), 科羅拉多大學的兩名華裔教授——楊榮貴(Ronggui Yang)和尹曉波(Xiaobo Yin) 教授,已經發明了一種新式的塑料材料。根據介紹,這種新材料是由許多直徑在8微米左右的小玻璃珠子隨機地鑲嵌在透明塑料中製成的。令人驚訝的是,這種材料居然是室溫輻射的「黑體」,它可以以遠紅外電磁波的形式向外輻射能量從而達到降溫的效果。而且,這種材料所輻射的電磁波波長是8-14微米,而這一波段的電磁波幾乎不會被大氣層通過反射、吸收和散射等方式阻隔,從而在大氣層內參與溫室效應,而是直接就可以穿過大氣層,逸出進入外太空。可以說,這種新「塑料」能夠源源不斷地把地球上消耗過剩的熱量輸送到太空中去。更令人鼓舞的是,這種新材料價格極其低廉,以製成捲軸的產品來計,成本只需要$0.5/平米,與普通塑料相差無幾。

如果這一成果真的屬實並得到廣泛認可和大規模利用,那麼完全可以說,它將直接開啟一個嶄新的時代,徹底改變人類文明的發展軌跡,讓人類再也不用擔心開發地球上各種能量會造成大氣層內熱量過剩以及氣候變化的問題,從而在根本上解除了人類文明發展的一大隱患。它的意義將會被後人越來越多地所重新認識、重視和高度評價,並將作為堪比瓦特改良蒸汽機的功績而被永遠銘記。


題主,這種問題中最好去掉科幻這個標籤。


核聚變可能並不能解決宇宙航行中的動力問題。


請很多核能或者工程專業的同學多擔待一下,本人才疏學淺,另外,對於本文中存在的錯誤也請不吝賜教。

因為之前的計算太過簡陋,誤導了很多同學,現在對答案進行大幅度擴充。

這是人類2013年能量消耗的分布圖:

圖片來自How Tesla Will Change The World - Wait But Why

其中,核能和可再生能源在餅圖中遠遠落後於傳統能源的消耗,在利用率和原料產出上也遠遠不及。然而核能這塊的潛力值無限,供能範圍廣泛。我們來看這張圖:

圖片來自Binding energy - Wikipedia

所謂原子能的釋放,在理論上說,就是使平均結合能低的核子轉變為平均結合能高的核子,在轉變的過程中,增加的結合能被釋放出來,有兩種方法可以達到這個目的。第一,就是利用重核分裂成兩個質量中等的核子,例如鈾或者鈈反應堆能量的收割。第二,就是將兩個或者數個輕核聚合或者融合到一起成為一個相對較重的核子,例如氘和氚相互作用可產生氦和中子,並釋放出能量。那麼有多少能量呢?

這是傳統能源的對比列表:

圖片來自Energy Content in Some Common Energy Sources

1Btu - British Thermal Unit,也就是1 Btu (British thermal unit) = 1055.06 J;

把能量轉化為能量密度,可以看到燒煤的質量能量密度(不是體積能量密度)為:

E_{coal} =28000000	imes 1055.06div 10^{3} =2.95	imes 10^{7} J/kg

而一個鈾-235的原子發生和裂變產生的能量是202.5MeV = 3.24	imes 10^{-11} J,轉化成質量能量密度為:83.14 TJ/kg;

N=83.14	imes 10^{12} div (2.95	imes 10^{7} )=2.8	imes 10^{6}

也就是說一個鈾-235原子的核裂變,其能量密度是燒煤的280萬倍!

下面,再來對比一下核聚變和核裂變

不妨來看看一下:

上述第一個反應是核聚變,最初的氫彈中進行的也就是這個反應:

作為反應物的氘氚核子,摩爾質量為3g/mol和2g/mol,為了計算和比較方便,讓二者的物質的量均為1mol,這樣我們可以知道,完全參加核反應的2g氘核和3g氚核的數目為:1mol

也就是n_{R} =1mol=N_{A} =6.02	imes 10^{23}

因此聚變產生的能量的為:

Delta E_{N}=n_{R}  	imes Delta E=6.02	imes 17.6	imes 10^{23} 	imes 1.6	imes 10^{-13} =1.695	imes 10^{12} J

上述第二個反應是核裂變鏈式反應中的一種,一般地說,鈾核的裂變產物可能有三、四十種之多,裂變時產生的碎片也有許多種可能,因此我們就看上面這個反應式子:

當鈾-235吸收了一個慢中子之後,形成不穩定的鈾-236,作為反應物,摩爾質量為236g/mol,為了計算和比較方便,讓其物質的量均為1mol,這樣我們可以知道,參加核裂變的236g核子的數目為:

n_{R} =1mol=N_{A} =6.02	imes 10^{23}

因此裂變產生的能量的為:

Delta E_{N}=n_{R}  	imes Delta E=6.02	imes 202.5	imes 10^{23} 	imes 1.6	imes 10^{-13} =1.95	imes 10^{13} J

雖說裂變的能量比聚變要多上那麼一些,但是變成質量能量密度的話:

E_{TD}=1.695	imes 10^{12}  div 5=3.39	imes 10^{11} J/g,
E_{U-235}=1.95	imes 10^{13} div 236=8.3	imes 10^{10} J/g

就這兩個反應上,核聚變的質量能量密度是核裂變的4倍。同樣質量的核燃料,聚變反應會比裂變反應放出更多的能量。

考慮到安全性,下圖是錒系元素和裂變產物的半衰期:

圖片來自Nuclear fission product

與核裂變相比較,核聚變所產生的核廢料半衰期短、核泄漏危害小、安全性高。

而且,對於核裂變,為了使得鏈式反應可以正常進行,必須保證由原子核裂變所產生的中子能補償為引起核反應(包括裂變和不裂變的)或者逸出反應堆而耗損的中子,這條件只有在反應堆(或者鈾塊)具有一個最低限度的體積時才能實現,這個最低限度的體積叫做臨界體積。而氫彈中的氘氚聚變反應不受臨界體積的限制,所以,氫彈的爆炸力比原子彈要更加猛烈。

另外,說道氘氚核聚變反應,其原材料可直接取自海水,幾乎取之不盡,因而是比較理想的能源取得方式。具體說明見長答案。

截圖來自https://www.youtube.com/watch?v=oHQFNXEKRWI

至於反物質能源,先做到收集起來就不錯了。反物質無法在自然界找到,必須在人工環境下合成,是由加速粒子打擊固定靶產生反粒子,再減速合成的。此過程所需要的能量遠大於湮滅作用所放出的能量,且生成反物質的速率極低,投入產出比為10^{-10} 。如果我們把在歐洲核子研究中心能製造出來的所有反物質組裝進行供能的話,這份能量只能維持一個白熾燈泡幾分鐘。

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(看科普的人可以不看這段)

這是我修改答案前,被知友批評的計算和表述,確實錯的很多,承認打臉:

首先在把英文單位寫完後,我太著急了,於是在電子伏特之前忘了加"兆",我承認打臉,這是我的疏忽;

另外,這兩個反應的釋放能量是,一個氘原子和一個氦原子聚變釋放17.6 MeV的能量,以及一個鈾原子裂變所釋放的能量是177 Mev能量,這個數字不是我瞎編的,我看到的數據來自:

http://www.ems.psu.edu/~radovic/Chapter13.pdf

Why does nuclear fusion give more energy that nuclear
fission?

關於我為什麼要用2g而不是2u或者相對原子質量2g/mol,主要是為了讓反應物為1mol,簡便運算

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動畫版:

宇宙的基礎貨幣就是能量。

截圖來自https://www.youtube.com/watch?v=oHQFNXEKRWI

能量小到你的跑步上課,大到可以照亮屋子、培育作物,為城市供電。在自然界里,捕獲能量的形式可以有很多:燒一燒化石燃料、裂一裂原子、接一接太陽能、搖一搖鋰離子。但上面所提的這幾種方案都有自己的缺陷:1)化石燃料以碳排放危害環境,其中一個明顯的代價就是全球變暖,更別提它帶來的多米諾骨牌效應了;2)核裂變的產物中不少具有高放射性,因半衰期的不同,其泄露的危害也各不相同;3)太陽能電池的轉化效率不高,並且現在還沒有足夠多的電池可以儲存足夠的能量給陰雨天備用呢;4)鋰離子電池是目前最為商業化的能源系統,但其受限於材料的對鋰電壓、電池的電化學環境等固有上限,續航有限。

截圖來自https://www.youtube.com/watch?v=mZsaaturR6E

然而,我們的太陽看上去具有無限的、免費的能量。那麼讓我們先了解一下太陽的造血原理吧。

我們的太陽是一顆主序星,通過原子核的融合產生能量。在它的核心,太陽產生以每秒鐘6.2億噸氫的核聚變。

圖片來自Cold Nuclear Fusion Powers the Sun - 1

等等,什麼叫做核聚變???

簡而言之,核聚變是一種熱核融合反應,意味著其材質必須要熱到無與倫比的程度、熱到讓原子上的電子離家出走。於是乎,這堆物質就熬成了一鍋等離子體湯,在這堆電漿中,原子核和電子自由的翱翔。

截圖來自紀錄片《宇宙是如何運行的》

而原子核帶正電,那麼可想而知兩個原子核之間的庫侖力會阻二者的接近,所以要克服這股排斥力、做掉庫倫勢壘,粒子必須要動若脫兔、形如閃電,並且還要很好的控制等離子體的密度和約束時間(反應時間),那麼也就意味著系統的溫度要非常非常的高,要好幾百萬攝氏度!

圖片來自Nuclear Fusion in the Sun

恆星會通過「作弊」來達到這種溫度,因為身型碩大,核心的壓力產生的熱量會把核子們擠成一團,然後將它們融到一塊,這樣會創造出較重的原子核,並在過程中釋放出大量的能量。

截圖來自https://www.youtube.com/watch?v=mZsaaturR6E

這份能量令無數科學家為之折腰,以至於他們想要在核融合反應堆中進行收割。不過,就算在熱度巨大、密度極高的太陽中心,平均算起來,每個質子也要等待數十億年才能參與一次聚變。不僅如此,要使聚變的能量可以得到有效利用,內部原子核的利用率必須得到提升,因此把反應溫度提高到數千萬度或者施加極大的壓強來實現自持聚變反應並獲得能量的增益是唯一可能的途徑,這其中所依賴的一個重要原則就是勞森判據(標準)。在地球上,像太陽一樣如此暴力地產生核聚變是不可能的,因此想要達到勞森判據的難度很大。

圖片來自https://www.youtube.com/watch?v=gS1dpowPlE8

核聚變反應速度會一直與溫度一起上升,直到最大反應速率溫度後、逐漸下降。氘氚反應速度峰值的溫度是最低的(約70 keV或八億度k)

引自Lawson criterion

不過,這是難不倒地球人的。

迄今為止,科學家已經發明了兩種使電漿熱到足以產生融合的方式。

第一類型:磁約束聚變

把等離子漿擠壓在甜甜圈形狀的空間里,拘束住高熱等離子體中的帶電粒子,使它進行螺線運動,進一步加熱等離子體,這裡面就會發生核聚變。

截圖來自https://www.youtube.com/watch?v=mZsaaturR6E

這些磁力可以約束反應爐,典型如法國的 I.T.E.R(International Thermonuclear Experimental Reactor,國際熱核聚變實驗反應堆):

圖片來自ITER - Wikipedia

透過液態氦冷卻的超導體電磁鐵,使其溫度被降到離絕對零度不到幾度,這也就意味著裡面存在已知的宇宙中含有的最大的溫差!

第二類型:慣性約束聚變

這種技術使用超高能量的雷射脈衝,來加熱燃料丸的表面,使其內爆,因為時間極短,燃料的熱度又極大、密度極高,因此達到產生融合的臨界。

下面是維基的註解:

以激光進行慣性約束聚變的圖解。藍色箭頭代表激光;橘色代表固態球狀核燃料向外爆裂的力量;紫色代表因激光熱能而產生向內的慣性作用力。

1. 激光光束,或是以激光產生的X光,快速加熱燃料球表面,在周圍形成等離子體。

2. 燃料核因為表面爆裂產生向內的反作用力,遭到擠壓。

3. 當燃料核的密度比鉛還大二十倍,溫度到達100,000,000?C,進入最後階段。

4. 壓縮後的燃料核,產生的熱量快速向外放射,發散的能量是激光光束加在燃料球上的數倍。

引自Inertial confinement fusion

事實上,世界上最強大的雷射之一正是用於核融合實驗,它位在美國的國家點火設施。這些實驗以及其他世界各地的類似設施,到目前為止都還只是實驗,科學家們仍在開發這項科技,雖然他們可以實現融合。目前,做這實驗要花的電比核融合產生的電還多,在有商業價值之前,這項科技還有很長的路要走。

截圖來自https://www.youtube.com/watch?v=mZsaaturR6E

也許這永遠不會成功,也許在地球上建造一個可行的核融合反應爐是不可能的,但如果我們做到了,它的效能會非常高,一杯海水就可以產生,跟一桶油一樣多的能量,而且不會產生廢氣。這是因為核融合反應爐將使用氫或氦作為燃料,而海水有滿滿的氫。

截圖來自https://www.youtube.com/watch?v=mZsaaturR6E

但不是任何的氫都可以用,必須使用具備額外中子的氫同位素,就是所謂的氘和氚,才能產生正確的反應。氘是穩定的,在海水裡就可以找到很多,不過氚有點難對付,它有放射性,並且全球可能只有20公斤的氚,大多在核彈頭裡,所以它非常昂貴。

截圖來自https://www.youtube.com/watch?v=oHQFNXEKRWI

因此,我們需要氘的核融合好友,我們不用氚,而是用氦的同位素——氦-3;它可能是一個很棒的替代品,不幸的是,它在地球上極其稀少。但在月球這裡可能有答案。幾十億年間,太陽風可能已經在月球上堆滿了,大量的氦-3,我們不用親自生產氦-3,我們可以去挖掘它。

截圖來自https://www.youtube.com/watch?v=mZsaaturR6E

如果我們可以把月球塵埃過篩,尋找氦,那我們就會有足夠的燃料讓全世界使用幾千年,如果你不支持月球基地的話,這是建立月球基地的又一個理由。

好吧,也許你認為製造一個小型太陽,聽起來有點危險,但他們實際上比大多數其他類型的發電廠更安全,核融合反應爐並不像普通的核電廠,它不會災難性的融解,如果約束失敗了,那麼裡面的等離子體漿會擴大並冷卻,導致核反應停止,簡單地說,它不會變成炸彈。

截圖來自https://www.youtube.com/watch?v=mZsaaturR6E

當然,放射性燃料的釋放,比如說氚可能對環境造成威脅。氚可以與和氧結合,產生有放射性的水

這可能是危險的,因為它會滲透到環境裡面。幸運的是,我們每次使用的量不會超過幾公克,所以泄漏物很快會被稀釋掉,所以,我們剛告訴你世界上有幾乎無限的能量,又不必犧牲環境,就存在在水裡。

圖片來自Nuclear Decay | Chemistry@TutorVista.com

辣么,我們為什麼不用?

答案是成本。我們根本不知道核融合有沒有商業價值,即使有可能建造,它們可能貴到蓋不出來

它的主要缺點是,這是未經驗證的技術,可以說是百億美元的豪賭,而這些錢用在其他已經證實可行的乾淨能源上,可能會更好,也許我們應該現在收手不幹。

圖片來自https://www.youtube.com/watch?v=mZsaaturR6E

又或許,當成果可以讓每個人享有無限綠色能源時,這可能是值得冒險的。

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參考資料:

Nuclear fusion - Wikipedia

Nuclear fission - Wikipedia

Lawson criterion

Inertial confinement fusion

Tokamak - Wikipedia

Antimatter - Wikipedia

CERN - Wikipedia

How is antimatter created?

How close are we to nuclear fusion?

Angels Demons - The science behind the story


私以為,反物質是一種儲能手段,但不是能量來源。並且反物質更有可能成為未來的星際航行能量來源。畢竟核聚變對機器規模要求非常大,而飛船空間希望有效空間盡量大,就沒有太多空間留給聚變。但是反物質可以在工廠里生產。

就算未來幾百年都實現不了聚變,也有可能在機器人的幫助下在太空中製造成千上萬的反物質工廠。


氫怎麼來的還不是電解,電怎麼來的還不是燒煤,煤怎麼來的還不是來自太陽。太陽能太散了太慢了


因為人類做夢可以到的範圍內,沒有可以開採的可用反物質。


制約人類的本質問題是能源,人類的期許其實並不是核聚變,而是一種超越裂變質能效率量級的新的能量來源。目前也只有核聚變看起來有這個潛力而已。


難道不是真空零點能嗎


核聚變的研究根本上不是為了製造無限的能源,而是從核聚變的研究上初步掌握太陽活動的規律!因為對地球來說,太陽的活動影響實在是決定性的。無論是各文明周期性的興衰存亡還是地球生物周期性的滅絕演化,無不與太陽活動有著密切的聯繫。文明想要打破周期律,人類想躲過大滅絕,就必須了解乃至掌握太陽的活動規律,至少也得搞清楚下一次大冰川期是什麼時候。

太陽恰恰就是一種巨型的核聚變反應爐,我們無法登陸甚至接近太陽進行研究,可我們縮小太陽,研究小型核聚變總是可以的。但也許太晚了,大冰川期總是不期而遇的,也許下個百年地球氣候就會進入下一個大冰期!有一群人還在吵吵嚷嚷什麼溫室效應,氣候變暖,全特么扯淡!核聚變的研究不僅僅是為了研究太陽的活動規律,還要為未來大冰期的來臨做能源儲備!核聚變現在越是有成果就越意味著地球大蕭條不遠!全球變暖、溫室效應莫非是掩人耳目,穩定人心?

上一次大冰川時期,動植物大規模滅絕,許多人種也消失,篩選出了智人,不知道下一次大冰川,何種滅絕,何種倖存!

生命真是一種可憐可嘆的存在!


哦,理由有兩個。

1、核聚變,是目前人類已經觸及的真實存在的能源提供形式。

2、核聚變是宇宙自身選擇的能量供應形式。

(第一個PS:應評論區要求,增加說明:以下闡述的,除了核聚變其他均為幻想,既沒有靠譜的科學依據,也沒有不靠譜的科學依據,所以,只是幻想,觀眾們認為是科幻亦可,玄幻亦可。)

實際上,在科幻作品系中,公認終極能源供應方式是:退縮爐,出自海底兩萬里。

能源排序如下:

核聚變:不解釋了,這是人類目前掌握的最高能源技術,材料也好找,所以被普遍認為是未來能源的主要形式,而目前來說可控核聚變的難點在於高速升溫升壓和高速降溫降壓兩個方面,中國採取的160孔激光對焦技術是當前世界上較為領先的核聚變控制技術,問題在於:很可能需要的能量比放出的能量更高。。。哇哈哈哈哈。

反物質泯滅爐:你自己懂的,(第二個:PS應評論區要求,附上說明,反物質,有反中子,反質子,反電子,從沒有根據的理論上來說,正反物質相遇,就會產生泯滅效應,從而放出能量,但是,這種泯滅原則上是不完全的,能有30%的效果就算很不錯了。)

能量共振爐:屬性完全一致,波長完全相反的兩種能量在對撞時就會相互泯滅產生巨大的能量,真正實現粒子級的物質——能量轉換。而反物質泯滅爐的轉換率只有30%左右。(第三個PS:既然有反物質,根據質能方程,就肯定會有反能量,又根據能量都通過波來傳播這一沒有科學依據的想法,必然存在反能量波,那麼正反能量波碰撞,理論上可以達到能量泯滅的極限,完全釋放其存在的能量(很拗口和難理解吧。。。。我也不懂。))

退縮爐(第四個PS:貌似應該叫做縮退爐):以空間為燃料,通過在第四或更高維度上對三維空間的壓縮,使其爆炸,從而徹底將空間轉換為能量,同時放出射線和氫粒子,再通過氫粒子的聚變補充提供一部分能源。(宇宙就是這樣產生的。)

(最後一個PS:這個想法來自動畫片《藍寶石之迷》或者叫《海底兩萬里》,我認為這一能量產生形式是符合當前科學家認為的宇宙起源的一種情況的,而他能產生的能量應該也是最高的。)

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最最後再補充一個PS:根據相對論,時間萬物皆能量。所以獲取能量的過程,理論上就是將一切打破重新回歸能量的過程,而可以打破的東西包括:

物質的質量(核能系)光的粒子性(由於光的波粒二象性,可以一定程度上認為光是介於能量波和實際物質之間的一種存在)空間、時間,最後是維度。

而目前我們主流應用的還是能量對能量的轉換,或者化學鍵能的打破。從科學的發展觀來看,理論上我們應該先搞定光合作用啊~~~


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