美国可控核聚变看起来像个笑话,核聚变发电真的靠谱吗?

东城要观星 2024-04-04 02:56:48

最近几年,可控核聚变不断取得突破,听起来好像马上就可以建设核聚变发电站发电了。尤其是美国爆出了两个令人振奋的消息,让人看到了核聚变的曙光。那核聚变发电真的要来了吗?我是东城观星,再跟大家聊聊核聚变的话题。

可控核聚变发电是目前人类能想到的最理想的发电形式之一,是未来能量来源的希望。早在上世纪氢弹爆炸之前,可控核聚变发电的理念就已经提出来了。但经历了一个又一个十年以后,可控核聚变发电似乎依然遥不可及。那可控核聚变到底能不能发电?什么时候才能真正用来发电呢?

可控核聚变能发电,这是毫无疑问的,而且早就可以实现发电了,但是到目前为止,所有的突破,都没有达到最终可以使用的状态。很多人都说核聚变发电马上就要来了,甚至一家美国公司宣称要到2028年就给微软提供核聚变发电服务。那核聚变发电真的近在眼前了吗?

先说最近宣传最多的激光核聚变。美国取得了突破性进展,实现了输出能量大于输入能量,看起来终于可以用来发电了,真的激动人心啊。但是,这个突破性进展,仅仅只是一个小实验,跟最终的核聚变发电还有很遥远的距离。有意思的是,美国激光核聚变看起来激动人心,输出能量达到输入能量的两倍。但实际释放出来的能量只够一个人洗一个热水澡。这还只是以热量的形式释放,如果再用来发电的话,还会打很大的折扣。

这还不是最夸张的,最夸张的是,所谓的输出能量大于输入能量,并不是输出能量大于全部消耗能量,仅仅是输出能量大于输入激光的能量。激光的产生还是需要电的,关键是把电转变成激光的效率是很低的。实际上消耗了322MJ的电能,才产生了2.05MJ的激光,然后诱发核聚变产生大概4MJ的能量。也就是消耗了大概能给一百个人洗澡的电量,最终产生了能给一个人洗澡的核聚变能量。这样算起来,战果是非常惨烈的,可以说是伤敌一千,自损十万。要想真正用来发电,那可真会赔个底掉。真正想用起来的话,一方面得大幅度提高电能变成激光的效率,另一方面,还要大幅度提升消耗激光后产生能量的倍率,至少是十倍百倍的标准才行。

这还不算完,据报道,这个突破性的成果不仅用电非常奢侈,用料也非常奢侈。比头发丝直径还要小的燃料胶囊,外面却需要包裹一个橡皮擦大小的黄金金块。这个金块可是消耗性质的,一次核聚变点火消耗一个金块,消耗完点火产生的能量只能洗个热水澡,你想想这个热水澡得有多奢侈啊。

让人们看到曙光的激光核聚变,全世界只有美国国家队才能做到,而且还如此奢侈,那真正实用,恐怕没个十年八年是不太可能的吧。

再说中国比较擅长的磁约束核聚变。这种核聚变在世界范围内研究最广泛,取得的成果也最多,但依然无法真正商用。不客气的说,现在所有的磁约束核聚变设备跟最终要商用的设备比起来,都只能算是玩具而已。就连世界多国合作在欧洲建设的最大核聚变设施,也并不是最终的核聚变发电站,甚至还有不小的差距。磁约束核聚变还有很多难题需要克服,目前没有任何一个设备可以把所有难题都给解决掉。

首先,所谓磁约束核聚变,就是类似于动作片中某些内功高手玩的一个漂亮特效,就是通过内功在身体四周弄出来一个圆环,比如用树叶聚集起来形成一个圆环围绕身体旋转,或者把水、火聚合起来形成一个圆环。反正就是全靠强大内功维持的一个圆环,内功一旦撤掉,圆环立马就会散开。

磁约束核聚变可比那些武林高手厉害多了,通过磁场控制一个比太阳还要热得多的大火环。太阳核心温度也不过1500万℃左右,磁约束核聚变的火环温度将达到几亿摄氏度,任何地球物质遇到这样的温度都会气化甚至等离子体化。这就好像是用纸来包裹火球,火球稍有不慎就会碰上纸包装,也就把纸给点燃了。

目前维持这个高温火环运转的内功也就是磁场,已经可以实现了。同时,这个火环也是被包裹起来的,用来包裹火环的材料虽然不会直接接触火环,但也会直接面对火环,需要耐受足够高的温度。现在能够耐受火环炙烤的第一壁材料也已经做出来了,而且已经广泛使用,中国就是第一壁材料的主要供应国。

但是这个火环内部要发生核聚变的话,可是并不老实。核聚变发生的时候,就相当于在高温火环里面释放炸弹,随时都有可能把火环给炸毁。一旦炸毁,那可是灾难性质的,包裹火环的材料就会被烧毁。现在火环的长时间稳定性是磁约束核聚变的最大难题之一。现在所有的磁控核聚变,都不可能长时间运行,能高温运行十分钟就算非常不错了,这可不是最终核电站想要达到的目标。更何况,这种核聚变也远远达不到输出能量远远大于输入能量的水平。

磁约束核聚变,还面临很多目前还无法解决的困难。除了输出能量远远大于消耗能量以外,还有怎样提高核聚变反应效率问题,现在核燃料氚大概只能燃烧0.3-0.5%,这是非常低的燃烧效率,未来至少需要提高十倍以上才行。同时,核聚变反应还需要不断把燃烧废料从火环里面分离出来扔出去,并提取废料中的能量,扔废料的时候还要把里面混合的有用燃料给回收回来,这个环节的难度也是很大的,这正是下一步要重点探索的环节。

经典的核聚变反应是类似氢弹的氘氚反应,这种反应方式实现起来比较容易,点火温度比较低,但是反应中会产生大量的中子,这些中子会严重破坏周边的包裹材料,让包裹材料老化失效,从而让反应堆面临重大风险,需要想办法尽量减少中子的危害。方法已经有了,但效果还需要持续提高。新型的核聚变反应可以使用氘和氦3反应,这个反应不产生中子,氦3也不像氚那样有放射性,危害大大降低,但是点火温度却需要提高好几倍。本来维持1亿摄氏度就很困难很危险了,提高到几亿摄氏度,那就更难更危险了。

美国某团队使用高温超导体制造出了新型的核聚变反应堆,大幅度降低了成本和体积,似乎把核聚变实用化又推进了一步,但这个创新依然无法解决前面提到的很多问题,依然需要不断探索。

总结起来,可控核聚变发电看起来无限光明、随时都会到来,但保守估计可能还需要二三十年才能真正到来。左一个十年、右一个十年,未来还需要几个十年,可控核聚变可以说是人类科技史上最难产的一项技术了,大家觉得这个可控核聚变到底靠谱不靠谱啊?多少年能投入使用呢?

我是东城观星,关注我,定期给大家讲点高科技的知识。

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