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未来能源的希望——核聚变
能源是21世纪的一个重大话题,手机、电脑、空调......这些日常用品无时无刻不在消耗着我们有限的能源。一方面,我们在已知世界里努力减少着支出,力图让能源效益最大化;而另一方面,我们也在不断探索着未知世界,希望能够找到安全、稳定、高效的新能源。风能、太阳能、潮汐能、生物能......这些都有能源主宰人类未来的能力,但是我认为,人类未来能源的关键是核能。核裂变虽然反应易达成,但是原料较少、辐射大、废料难以处理,随着时代的发展,终将被核聚变取代。
核聚变的主角是氢的同位素氘(原子核中一个质子两个中子)氚(原子核中一个质子两个中子),在一定条件下,这两种元素会发生反应结合生成一个氦原子,同时放出一个中子。在结合的过程中由于会损失质量,根据爱因斯坦的质能转换公式 E=MC2,损失的质量将全部转化为能量。听起来很简单,但实际上除了氢弹目前还没有成功核聚变的案例。
就目前的科技而言,可控核聚变有几种方式:早期的核聚变的是依靠核裂变而实现的,这种方式叫的专业一点的话是惯性约束聚变(英文简称ICF),这种聚变方式很好理解,就是在有限空间内用核裂变瞬间产生的能量压缩气体体积,将其转化为巨大的内能和压力,最终达到氘和氚反应所需的温度和压力,进而发生核聚变,但这种核聚变方式每次释放的能量巨大、释放过程太快(氢弹就是个不错的例子),所以无法利用,随着时代的进步,通过核裂变达到核聚变的方式被淘汰了,取而代之的是一个几毫克的氘和氚的球形靶子。从外界均匀射入的高能激光束或粒子流,将小球加热并使之消融为等离子体,所谓之等离子体,也就是去了核外电子的原子。就像喷气飞机往后喷气体以使飞机向前飞一样,等离子高速向外喷射所产生的反作用力会使球面向内挤压,小球内气体受挤压导致压力升高,并伴随着温度的急剧上升。当温度达到氘和氚的反应所需温度,也就是点火温度(大概需要几十亿度)时,小球内气体便发生爆炸,并产生大量能量。这种爆炸过程时间很短,只有几个皮秒(1皮秒等于1万亿分之一秒)。若这样的反应连续不断地进行下去,所释放出的能量就相当于百万千瓦级的发电站,而苏联人的早期实验也证实了这种方法的可行性,但是这种方式缺陷依然有,如人类现有科技制造出的激光束或离子流发射器功率不够大,也就是说无法达到反应所需温度,以及激光无法完全均匀照射小球等,所以这种方式现在依然在研究中。第二种方式我们称之为磁约束核聚变(英文名称MCF),为了克服同性粒子之间的阻力,这种方法首先要做的是也是将原子变为去了电子的等离子,尔后再对等离子施以14000万摄氏度的高温和高压,理论上就能使其以极高的速度运动。但是地球上无法制造如同太阳核心一样的巨大压力(2500亿个大气压),所以只能通过提高温度弥补压力来实现核聚变,为此则又需达到上亿摄氏度的高温,再使这样的两个高速运动的等离子撞击,形成重核,也就是氦。同时放出能量,这种核聚变方式还有一个好处,就是可以用磁场力来控制显电性的等离子,使聚变速度更快,更加安全。这是目前被认为最可能的可控核聚变方式,然而等离子体是一个高度复杂、极端脆弱的系统,因此这种方法目前也在积极探索中。至于网上传言的氘与氦-3核聚变基本不用去考虑了,氦-3在月球上储量丰富不假,但是这个反应的所需温上百亿摄氏度,基本可以直接pass了
虽然核聚变的道路不像核裂变那般清晰明朗,但是,充满荆棘的羊肠小道与茂密的森林才是科学真正迷人的地方。若问我为什么去探索他,我只能回答他说,因为它就在那个地方!
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共 0 个关于未来能源的希望——核聚变的回复 最后回复于2015-8-6 14:34:01

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