
其实要问可控核聚变是不是真的像传说中这么美好,答案是肯定的,不然现在各个国家包括中国也不会花这么大功夫和精力去研究这个东西,因为谁会研究对实际生产没有价值的东西呢?但是如果说为什么可控核聚变这么美好,我觉得可以在这里仔细说一下。(鉴于可能有一些朋友不太熟悉啥是可控核聚变,我就顺便用通俗的语言讲下)
先说核聚变,可能有些人并不知道,可是氢弹总听说过吧,可是你有没有想过,一颗体积并没有很大的氢弹,为什么会在其他导弹中脱颖而出,几乎和原子弹平起平坐?其实靠的就是核聚变。
氢有两种同位素,叫做氘和氚,这俩和氢的最主要的区别就是他们原子核里中子的数量不同,氢(也叫做氕)没有中子,脱去外面的那个电子就是一个光秃秃的质子,氘的原子核里有一个质子和一个中子,氚的原子核里有一个质子和两个中子。然而,氘和氚与氕的另外一个不同,就是氘和氚可以用来进行核聚变反应
OHHHHHHHHHHH~这样一来我们的氢大兄弟直接被嫌弃了好嘛?(氢:明明不用我居然还把他们做成的武器叫氢弹,哼~你怎么不叫氚弹和氘弹啊?)
其实,核聚变反应也主要是发生在氘和氚身上,那问题又来了:核聚变发生的原理是啥?为啥核聚变会放出这么大的能量呢?
其实这也并不难理解:举个栗子,我们假设手里有一个氘原子,一个氚原子(氕正在厕所里哭qwq),然后我看他俩不太热情,就硬把它俩摁倒一块(在高温高压条件下),于是乎,他俩都脱去了外衣???(别误会,我想说的是电子脱离了原子核~)。开始相互拥抱,一下子,这俩就合体了!成了一个氦核,再加上一个中子。没错,这就是核聚变反应。别小看它,他俩会释放17.6MeV,要是把一堆氘和氚都扔在一块去反应,这放出的能量估计就……(核平场面自行脑补)
其实不光是核武器靠的是核聚变,我们头顶上天天发光的太阳放出能量靠的也是核聚变
说到这里,终于可以进入今天的正题,可控核聚变是啥?通俗得说,我们现在虽然可以使用核聚变,但是可控核聚变就是在使用的基础上更进一步,能够控制核聚变的过程。也就是说,我们假设把使用核聚变定义为使用氢弹,那么可控核聚变就是可以控制氢弹爆炸的程度和控制它到底怎么爆,让能量持续稳定的输出。
如果说在理论上实现,其实并不困难。首先既然要实现核聚变,就得具有高温高压的环境,不然聚变无法进行,高温是为了让电子脱离原子核,高压是为了让氘核和氚核更容易撞在一起。其次如果想要做到“可控”就是让能量持续输出,而不是像氢弹那样一下子全部释放,那就必须做到稳定。
但是现实总是残酷的,其实目前人类没有实现可控核聚变的原因正是因为这三个条件没能同时满足,至少没能达到可控核聚变的标准。
由于压力无法达到标准,只能通过更高的温度来弥补这一缺陷。例如,太阳发生核聚变的时候,表面温度约为5500摄氏度,中心约为2000万摄氏度,但是我们要想完成可控核聚变就得加温到1亿摄氏度,这项指标在中国科学院已经完成了!
可是问题又来了,可控核聚变必须要在装置里才能运行,但是温度实在是太高了,以至于是太阳中心温度的五倍,目前并没有合适的材料能够承受这样的高温。那这个1亿度的高温是怎么运行的呢?这就要说到目前有希望成功的两种装置
一种是激光约束核聚变,也称为惯性约束核聚变。惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体,装入直径约几毫米的小球内。从外面均匀射入激光束或粒子束,球面因吸收能量而向外蒸发,受它的反作用,球面内层向内挤压(反作用力是一种惯性力,靠它使气体约束,所以称为惯性约束),就像喷气飞机气体往后喷而推动飞机前飞一样,小球内气体受挤压而压力升高,并伴随着温度的急剧升高。当温度达到所需要的点火温度(大概需要几十亿度)时,小球内气体便发生爆炸,并产生大量热能,这种爆炸就是惯性约束核聚变。
另外一种叫做磁约束核聚变,主要包括托卡马克、仿星器、磁镜、反向电磁场、球形环等几种方式。
这里主要来说说托卡马克装置
上图就是托卡马克装置,托卡马克的中央是一个环形的真空室,外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场,将其中的等离子体加热到很高的温度,以达到核聚变的目的。
中国目前的托卡马克装置位于合肥,叫做EAST。
EAST位于中国合肥,是目前为止,超托卡马克反应体部分,唯一能给ITER提供实验数据的装置。中科院自行研制的东方超环EAST核聚变装置实现了一亿度高温,离人造太阳又近了一步。
首先,它相对于核裂变来说,能源更加清洁环保。核聚变前面讲了,用的是氘和氚,核裂变用的是铀235,铀具有很强的放射性,一旦发生核泄漏,后果不堪设想。。。最主要的是核废料的半衰期很长,通常处理方式都是包装后沉入海底,但是通常依然会有泄露。氘和氚剧变后的产物半衰期很短,会生成无害的氦气。
第二,它所用的能源分布更广泛。上过小学二年级的都知道,铀是一种非常稀有的元素,但是氘和氚就不一样了,他们在海中分布还是不少的,所以说如果使用可控核聚变,原料会更加容易得到。
如果人类真的可以广泛使用可控核聚变,那么能源问题就不再是问题了,核聚变所供应的能量可以给人类使用上亿年
拓展阅读:
1.这是我写的科普文,内容和这里差不多,大家可以捧个场QwQ
2.妈咪说:为什么要做“人造太阳”?可控核聚变都有哪些难点?
3.什么能源可以取之不尽?中国的人造太阳EAST装置啥原理?李永乐老师讲托卡马克_哔哩哔哩 (゜-゜)つロ 干杯~-bilibili
