我们离可控核聚变还有多远?如何实现可控核聚变?

我们离可控核聚变还有多远?如何实现可控核聚变?

首页休闲益智托卡城镇实验室更新时间:2024-05-09

人们常说“科技使社会进步”,但是科技的进步也是有前提的,人类学会制造火才从茹毛饮血的原始社会解放出来,发现煤炭、石油才开启了工业革命,这些能源就像“大米”,人类如果没有这些能源,就是巧妇难为无米之炊,怎么也发展不起来的。

传统能源

然而,这些能源尤其是推动人社会飞速发展的化石能源,并非是取之不竭的,有朝一日用完就没了,而且燃烧化石能源还会导致我们的环境以及气候异常变化,因此我们正面临着严重的能源危机。为了继续发展,人类势必要寻找新的能源,于是核能就跳进人们的视线了。核能威力巨大,并且可持续使用,是一个绝佳的新能源。

核能

那么,如今人类核能的研究到了哪一步呢?如何实现核能的利用呢?

什么是核聚变?

核聚变,听名字就知道与核能有关,事实上核聚变确实是核能的一种,与核裂变是一对双胞胎兄弟。大多数人对核裂变、核聚变都只闻其名,不见其人,根本不知道它们是啥,并且对核裂变与核聚变两者傻傻分不清。那么核聚变究竟是什么呢?核裂变与聚变有何不同?

核聚变

虽然看起来这两个名词极其拗口,但实际上我们无时不刻都在感知它们,我们每天沐浴的阳光就是太阳内部核聚变产生的。而到夜间时,看着城市里的万家灯火,也许其中一盏就有可能是核电站发出的,而核电站的电能来自于核裂变。所以就先后而言,人们先发了核聚变,后发现了核裂变,不过倒是不约而同的都被运用到武器设计中,成为左右战局的决定性武器。

核裂变

1932年,澳洲科学家家马克·奥利芬特发现了核聚变反应,即两个较轻的原子核反应生成一个较重的原子核和一个极轻的核,并爆发出大量的能量。当科学家见识到这股巨大的能量之后,想着要是能够控制这股能量,那还用去打什么石油井,直接用着这个不香吗?然而经过实验发现,核聚变反应十分不可控,因此只能遗憾地放弃了使用核聚变的想法。

核裂变与核聚变

不过,核聚变实验没成功,但核裂变实验成功了。人们通过制造核反应堆,能够有效地控制裂变的反应程度,因此核裂变虽是弟弟,论实用性却是核聚变拍马难及的。但是,因为裂变的原料是铀元素,有放射性,并且经常产生核废料,对环境的污染比较多,一旦发生核泄漏,就会引发绝地千里的事故,切尔诺贝利事件就是前车之鉴。

因此,即使已经有了可控的核裂变,人们也还是要钻研聚变技术。毕竟聚变的原料就是氢原子的重同位素,氘与氚,十分的安全并且取之不尽。但是相较于已经可控的核裂变而言,可控核聚变的影子都没有一个。人类何时才能将这无处不在的核聚变利用起来呢?

实现可控核聚变之路,有多远?

上世纪三十年代初期,核聚变的原理就已经提出,并且科学家在实验室中通过加速器加速实现了核聚变,但是由于实验室核聚变产生的能量比加速器的能量还小,相当于“马儿吃了草又不跑”,因此核聚变反应只能搁置下来。大约到五十年代时,美国科学家制造了不受控制的核聚变,也就是氢弹爆炸。这次实验,科学家看到了核聚变远超于核裂变的能量,二者之间就好像是大海与小溪的关系。

氢弹爆炸

不过,科学家虽然掌握了不受控制的核聚变,但是不受控制的就不能向人类社会提供平稳、持续的能量输出,也就不能应用在社会的方方面面,所以我们还是要实现可控核聚变。那么,为啥人们不能实现可控核聚变呢?

其一,出现核聚变的温度太高了。以太阳为例,太阳外部的高温已经是五、六千度,那么太阳内部也就是发生聚变反应之处温度应当更高。其二,燃料氘与氚的密度要达到一定的临界点,并且只有同时满足以上几点,才有可能实现聚变。但是“理想是丰满的,现实是骨感的”,首先温度就给人迎头一击,更别提后面的,所以可控核聚变之路任重道远。

太阳内部核聚变

路是人走出来的,即使可控核聚变的难度难于上青天,我们的科学家还是找到了能够实现它的办法,即惯性约束(激光约束)、磁性约束(托卡马可实验设备)。目前学界对于可控核聚变的反应都集中在利用托斯马可装置上。我国大约从上世纪中叶就开始研究可控核聚变,虽然途中有些许波折,但是我国在此领域取得了不俗的成绩。

我国全超导托斯马可装置

1994年,我国建成第一台超导托斯马可装置,跻身国际核聚变物理前列。2006,又建成EAST装置(人造太阳),并且我国的“人造太阳”装置,在我国设计师的不断改进下,技术已经处于国际领先地位,也许在不远的未来我们就能实现可控核聚变了。

核聚变,能够利用在哪些方面?

那么,科学家千辛万苦制造出了可控核聚变究竟有什么妙用,值得国家投入这样大的精力去制造?首先,核聚变是一种清洁能源,并且还是可再生能源。近年来,人类大量燃烧石油、煤炭,不断排放温室气体,给地球环境带来重大伤害,从而引起气候危机,出现极端天气以及物种灭绝,这就像是大厦将倾的前兆。

核废料都有多种用途

因此,为了挽回局面我们就要从根上治病,否则就是治标不治本,怎么治本?改变能源结构,使用清洁能源。其次,核聚变的能量巨大,比现在使用的裂变起码强几百倍。一旦,核聚变成功,现有的能源体系的速率将提高几百上千倍。

核电站发电原理

其次,核聚变可以应用在核电领域,取代现在的裂变反应堆,不仅能量输出更大,从涓涓细流到汪洋大海。而且聚变还更干净,更健康,因为它几乎没有放射性,以及核废料少。此外,还有航空航天事业,如果用核聚变做燃料,那么我们的航天飞船速率可以达到2.5千米/秒,加快人们星际探索的脚步。

结语

道路是曲折的,前途是光明的。虽然,现在我国的可控核聚变之路还在曲折中前进,但是我们的研究已经走上了正轨,假以时日就能实现这一伟大成就,届时我们就能成为一个能源大国,拥有取之不尽的能源,为地球的环境保护添一份力。

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