可控核聚变的技术应该是国家层面研究的,没听说那个团体在研究核聚变,也研究不起。可控核聚变研究成功将是人类能源使上的一次飞跃。当美国技术储备遥遥领先世界时,许多科技应用
当美国技术储备遥遥领先世界时,许多科技应用美国可以通过挤牙膏的方式来获取利益最大化。资本是推动科技前进的动力,但没有竞争就会有挤牙膏问题让人感觉科技进步似乎非常缓慢。
以可控核聚变为例,资本一直积极推动,这是国家重点工程项目,我们已经领先美国,但由于一直无法投入使用,所以很多人会觉得资本在打压,其实恰恰相反,我国面临严重的能源污染危机,在西方发达国家即将展开制定的碳排放游戏规则中,新能源将决定着未来发展中国家的前途与命脉,中国有14亿人口所需能源规模是世界第一,如果西方联合锁死化石能源,那么中国的GDP不仅不会增长反而会倒退,所以中国对新能源的需求是非常急迫的。由于对未来前景的担忧,中国很早就开始了可控核聚变的探索,现在已经取得可喜突破,不出意外的话,2040年前将成为世界上第一个实现可控核聚变实用阶段的国家。这并非吹牛,要搞清楚原理你就懂了。
万物由原子构成,原子由原子核和电子构成,原子核由质子和中子构成。原子核中质子数决定了它是什么元素,只有一个质子的是氢,两个是氦,三个就是锂,以此类推。小原子核合成大的原子核称之为核聚变反之则是核裂变,两个氢原子核合成就变成拥有两个质子的氦原子核。你经常会听到核聚变的原料是氢的同位素氘和氚,这两个其实是比氢原子稍微胖点,原子核中带有一个中子就叫氘,带两个中子则是氚。把它们撞到一起就变成氦。氦核有两颗质子和中子,这表明在聚变中其中有一颗中子跑了,跑哪里呢?不知道。但这颗中子跑的过程中就释放出来了能量!这能量多大?根据爱因斯坦质能方程E=MC方,这能量大了去了。2克氘和3克氚产生的聚变反应会释放出来相当于47万度电的能量。
现在根据可控核裂变原理的核电站已经投入了正常使用,那么可控核聚变为什么还不行,难点在哪里?一个原子核里面的质子都带正电荷存在同性相斥的电磁力,但在原子核里面还存在一种强核力,可以吊打电磁力从而把质子牢牢握在原子核里面跑不出去,强核力是宇宙四大力之一,比电磁力大100多倍,但强核力只存在于原子核尺度里,普通物质宏观上的结合靠的都是电磁力。但如果是重原子核比如铀235,由于质子数太多就会变得不稳定而脱离强核力的约束跑出来,所以这种物质我们就称之为放射性元素。两个氢原子核靠近会被电磁力弹开无法紧密结合,原因就是质子的同性相斥,由于强核力作用范围小只存在于原子核内,所以自然界不可能无缘无故出现核聚变。
太阳无时不刻都发生核聚变,靠的是温度和压力,原子核在加温下粒子运动速度也会加快,而加压则是让更多的原子核挤压在一起就像高峰时间的公交车里面挤满人,让原子核通过高温高压下撞到一起进入强核力的作用范围并释放出来巨大的能量。太阳中心的温度并不是很高,大约1500万摄氏度,但压力惊人有2000亿个大气压,所以太阳里面的核聚变才能持续发生。但人类在地球上目前无法制造天文数字的高压,所以目前是在高温上动脑筋。进入聚变的原子核距离也叫做聚变截面,为了能让聚变较为容易的发生,所以人们使用了氘和氚,原因是它们的手比氢稍长一些更容易突破聚变截面距离把手握在一起。理论上,不考虑压力温度要达到30亿度才能形成核聚变,但是我国目前实现的温度才1.2亿度,是不是差的很远?但是让原子核进入聚变截面还有一种方法就是量子隧穿效应,简单说就是在有限的温度条件下依然会产生一定的概率实现。聚变会产生出氦和中子,中子带走了大部分能量。我们只要先给反应装置输入一定的能量产生聚变。然后我们停止输入,依靠聚变自己产生的能量来维持住温度,这就是自持燃烧。只要我们输入的能量小于自持燃烧后产生的能量就完成了一个重要突破。这个输入能量产生自持燃烧的时间也称作约束时间。
所以温度、压力、约束时间是构成核聚变的三要素,把这三个值相乘就叫做三乘积指标。根据这个指标我们只要找到相应坐标曲线最小值大概是2.6乘以10的21次方,以约束时长一秒来计算,1.6亿摄氏度、8个大气压就够了。如果给到8000个大气压,那么约束时间只需1毫秒。比如我们的装置采用了磁约束,因为无法提供更高的气压,所以需要高温和更长的约束时间,目前我国的水平可以在1.6亿摄氏度下的等离子体约束20秒的时间,只需0.4个大气压下就能实现自持燃烧。美国可能在实验惯性约束,主要是在压力方面想办法。
所以说目前以可控核聚变的进展来看,人类已经越来越接近三乘积指标理想值。因此20年后实现可控核聚变并非天方夜谭,当然即使技术上解决了也会牵扯到其它问题,目前中国的实验成果是领先世界的,但还是没有真正实现氘氚聚变,仅仅是实现了等离子的约束,还有许多其它问题,如能量回收以及氚增值等问题。虽然问题依然很多,但是相信中国科学家的智慧是一定能够不断突破加速让可控核聚变真正的造福人类。