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从几千年前钻木取火 , 到几百年前煤炭石油 , 再到如今的热核反应 , 人类使用能源的方式不断变化 , 那么有没有一种能源像太阳一样不断的释放光和热?
答案是“有” , 那就是核聚变 , 也称“人造太阳” 。
10月19日 , 我国新一代“人造太阳”——中国环流器二号M装置(HL-2M)等离子体电流突破2.5兆安 , 再创历史记录 , 同时迈出了核聚变点火的重要一步 。
如果核聚变技术成功突破 , 那么人类将不再为能源发愁 , 也不会为了能源发动战争 。
那么核聚变技术究竟有多难?它又能带来什么?
核聚变
核聚变最早于1932年由澳洲科学家马克·欧力峰发现 , 他发现两个较轻的原子核(氘、氚)可以结合为一个重原子核(氦) , 同时释放大量的能量 。
核聚变是一个物理反应 , 因为它并没有产生新的事物 , 氕、氘、氚都是氢的同素异形体 , 它们的反应是发生在原子核层面上 。 而化学是在分子、原子层次上研究的物质 。
自然界中最典型的核聚变就是太阳 。 几十亿年来 , 太阳犹如一个巨大的核聚变反应装置 , 无休止地向外辐射着能量 。
太阳的内部最充斥着质量很小的氢原子(主要是氘) , 在超高温(1500万℃)、超高压(3000亿个标准大气压)的环境中 , 核外电子挣脱原子核的束缚 , 使两个原子核相互吸引并碰撞在一起 , 发生聚合反应 。
这种聚合反应产生大量的能量 , 并且形成新的元素氦 , 新形成的氦元素也可以作为原料重新参与到聚合反应中 。
根据爱因斯坦质能方程E=mc2 , 原子核发生聚变时 , 有一部分质量转化为能量释放出来 , 只要微量的质量就可以转化成很大的能量 。
这些能量究竟有多大呢?
太阳不断地释放能量 , 向四周辐射 , 达到地球的能量仅有22亿分之一 , 却创造了四季、孕育了万物、延续了生命 。
按照估计 , 太阳一秒钟就差不多有6亿吨的氢燃烧成大约5.96亿吨的氦 , 产生的能量相当于数万亿颗原子弹 。
因此可以得出:
1公斤的氢聚变=6.3x10^14焦耳能量 , 约等于150573.6吨TNT当量
1公斤氘氚聚变=3.37x10^14焦耳 , 约等于80544.9吨TNT当量 。
2021年全世界范围内用电量达到28.466万亿度 。
1度电=360万焦耳
计算可得:全世界一年的所有耗电量 , 差不多需要不到4吨的核聚变燃料!
地球上含有核聚变原料最多的地方就是大海 , 一升海水中大约含有30毫克氘 , 这些氘发生核聚变相当于340升汽油燃烧的能量 。
如果把海水中的氘全部提炼出来 , 大约有40万亿吨 , 其释放出来的能量足够人类使用100亿年 。
因此 , 核聚变也被称为“终极能源” , 多个国家都在研发这项技术 。
世界各国可控核聚变技术如何?
世界各国为了彻底解决能源问题 , 纷纷投入巨资展开研发 。
据了解 , 可控核聚变的实现方式主要有两种:
第一种、惯性约束核聚变 。 通过激光将环境温度提高 , 使核聚变原料变为离子态 , 之后在反冲作用力下极度压缩 , 发生核聚变 , 产生巨大能量 。
第二种、磁约束核聚变 。 在密闭的空间内通过加热制造高温高压环境 , 然后施加一个特殊的磁场 , 使核聚变原料发生反应 , 最终形成核聚变 , 释放大量能量 。
磁约束核聚变技术源自苏联 , 它需要一个巨大的能量 , 以产生一个可以约束核聚变的磁场 。 因为这个能量已经超越了核聚变本身的能量 , 因此被很多人认为“不可能” 。
而惯性约束核聚变则不同 , 理论上投入0.25MJ能量 , 可以产生1.3MJ的能量 。 投入产出比高达1:5 , 绝对是不错的买卖 。
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