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(2019-12-03 06:50:50) 其实人类已经掌握并且部分应用可控核聚变技术了。问题是目前点燃核聚变和维持反应所投入的能量大于核聚变反应产出的能量。这好比你开了家工厂,机器运转起来、产品卖出去了但财务上还是亏损、没有净利润。虽然还不能用于发电,但不等于目前可控核聚变完全没用,很多中子源就是借助氘-氚核聚变来产生中子辐射,而中子辐射能生产稀有放射性同位素等。中子源主要是用粒子加速器让氘-氚猛烈碰撞产生聚变,或者使用静电惯性约束核聚变。有些静电惯性约束聚变很小巧简单,国外高中生搞的核反应堆就是简易的静电惯性约束聚变堆,那类东西叫Fusor。原理就是用高压电场吸引正离子(在这里被剥离电子的燃料原子核)往中心冲撞,撞上的幸运儿就能产生聚变了。可以这么说,在某些情况下造核聚变反应堆比裂变堆容易多。静电惯性约束核聚变原理Fusor简易静电惯性约束聚变堆——Fusor系统示意图Fusorhttps://www.zhihu.com/video/1109889346773250048由于功率很低,产生的远紫外线、X射线和中子通量也很低,所以只要不是你拿这个当台灯一直待旁边就没事。我想一般人玩玩这个所受的电离辐射计量可能还不如X射线安检高,安全合法,燃料可以通过电解重水和拆氚光管获得。有人觉得只是单纯的气体放电发辉光,请问你家的气体放电灯会产生X射线和中子?检测到中子辐射就证明发生了聚变。手痒也想DIY聚变堆玩的人可去下面这个论坛学习一下,当然你最好洋文好点。http://fusor.net/board/index.php好了言归正传,题主问的是核聚变能源,是能发电、驱动交通工具的那种。我觉得核聚变实现能量净利润产出后,初期建核聚变发电站可能就像当年建三峡一样宣传的很美好、能让电价如何便宜,实际上生活照过。请问用大自然力量无需消耗任何燃料的风电、水电做到廉价了吗?毕竟第一代可控核聚变燃料用的是劳森系数最低最容易点燃的氘(重氢)和氚(超重氢),其中氘虽然自然界广泛存在包括海水里都有,然而需要费力分离提炼出重水然后电解。氚由于半衰期为短暂的12.32年,所以大自然中不存在。需要把锂6用中子轰击转换才行。且有不小的放射性所以价格昂贵。氘-氚聚变反应产生的70%以上能量都是危险的中子辐射,个人DIY的Fusor的中子辐射没啥但功率大起来后中子辐射就很可怕了,能像子弹一样破坏材料微观结构的晶格导致中子脆化,还能把原本没放射性的物质转换成放射性同位素,这叫中子活化。中子辐射电离能力强,对生物很危险。所以就有了中子弹。虽然磁场、电场能把聚变等离子体和反应堆容器分离隔绝,然而大功率下其电磁辐射(从红外到X射线)以及中子依旧会带来强烈的加热,温度可比肩喷气引擎燃烧室。同时耐受中子轰击和强烈加热同时保持可靠性对工程学是挑战。需要定期更换被中子损害带放射性、强度脆化的部件加上处理放射性的氚燃料等成本。燃料成本、技术含量、维护成本等导致在相当一段时间里可控核聚变发电不会很便宜,也使用放射性燃料也产生放射性废物(中子活化的废弃物,当然放射性比核裂变的乏燃料低很多)不是完全洁净的。一种核聚变发电站设计构想,可见醒目的托卡马克反应堆装置氘-氘聚变燃料本身便宜、中子能量比例是氘-氚一半,不过点火要求比氘-氚苛刻多,要求大约是氘-氚聚变的6倍。氘-氦3聚变中子辐射很小、能量输出比氘-氚、氘-氘都强,不过同样点火要求高的多,要求比氘-氚高10倍。而且氦3价格比氚贵——因为目前地球上的氦3恰好是氚的衰变产物,开采月球氦3也没你想象的那么容易,即使航天运输成本降下来,在月球上每开采1克氦3至少需要处理150吨月球表层土壤。这些氦3是几十亿年来太阳风粒子沉积吸附在月球表土中带来的。开采氦3更好、储量更大的是太阳系四大巨行星大气层,然而这些巨行星又远、逃逸速度又大,等人类有能力开采木星、土星、天王星、海王星恐怕是下个世纪了,火星大概都建国了。反正我觉得我是看不到那天了。恒星的质子链反应(太阳现在就是)大质量主序星里的碳氮氧循环聚变反应还有一种很有潜力的聚变燃料:氢-硼11,这是可预见未来可能使用的最便宜的聚变燃料组合,还完全没中子辐射。然而氢-硼11聚变难度比氘-氦3高很多。恒星直接烧氢的质子链反应或者碳氮氧循环反应目前没有工程师敢奢望研究,这需要80倍以上木星质量天体的核心压力、温度才能点燃。太阳是G,而B、O才能烧组成石头的氧、硅至于烧石头(硅、氧)的所谓重元素聚变,那是8倍太阳质量的蓝巨星(O、B型光谱主序星)演化后期才能点燃。太阳质量相当于1047.35个木星,8倍太阳质量就是8,378.8?倍木星,木星质量是地球的317.8倍,最终等于2,662,782.64?个地球。也就是说所谓的重元素聚变需要2,662,782.64?倍地核压力才能点燃,地核的压力相当于3,300,000到3,600,000个标准大气压。也就是说点燃重元素聚变至少需要8,787,182,712,000?倍地球海平面标准大气压的压力才能点燃!!!这串天文数字看了我都有点晕,难度可想而知,我想就是反物质湮灭都难以点燃。此外宇宙中轻元素含量比重元素多的多,看下图太阳系原始元素丰度表就知道了。排行第二的氦比排第三的氧多出两个数量级,比硅更是多出三个数量级。所以重元素聚变不但极端困难还毫无意义、燃料更少(有人说推动地球的话作者自己就是飞船派,看访谈和其贴吧ID就知道了。太阳系原始元素丰度表核聚变发电要等氘-氦3、氢-硼11聚变成熟还有相关产业链完善后才能真正做到基本洁净、强大。可预见未来,地球上核聚变发电也会以用聚变能量烧水驱动蒸汽轮机发电为主,因为效率最高技术成熟。听起来高大上的磁流体发电、热离子发电等性价比和效率都不如烧水的朗肯循环涡轮机。不过考虑到地球有充足的太阳能——地球轨道距离上的太阳常数大约为1361瓦/平米,大规模利用免费的太阳能来发电比技术复杂工程难度大的核聚变发电容易、便宜多。所以在未来可控核聚变不可能成地球的万能灵丹妙药,只会是太阳能、潮汐、风能、地热等诸多新能源的组成,而非一家独大。如果人类一百年内还没有发展出可控核聚变,人类这个种族会怎样?还有人觉得可控核聚变能轻松让几十万吨甚至更大的飞船直接从地面起飞、轻松以120G猛烈加速。这很无知荒诞,现实中NASA等有关部门的确在研究核聚变推进。然而由于人类技术和物理定律等的限制,150年内核聚变飞船的加速度很难突破0.01,因为聚变要求很苛刻,需要的设备复杂笨重,同时还会产生大量的废热等。加大推力需要加大功率,加大功率引擎和相关设备包括散热系统等都会水涨船高。因此核聚变飞船至少在150年内无法直接从地球表面起飞,更不可能、也没必要达到夸张的120G加速度。下面贴两张今年(2019)4月1日我在蛤交的演讲PPT截图(那也是我第一次公开演讲,再次感谢那只在我上台前闯入报告厅让我放松的黑猫,不然我得紧张的呕吐没法讲了)注意可预见未来的核聚变飞船有望把地球-火星单程航行时间缩短到30-40天,去木星单程缩短到半年、去土星缩短到一年内,去冥王星单程缩到三年内。这将打开人类真正殖民、开发外太阳系(主小行星带以外区域)甚至亚光速恒星际航行的大门。核聚变发电虽然在地球面临廉价的太阳能竞争,然而在阳光微弱的外太阳系则无比重要。因为聚变燃料相对比裂变燃料容易获得,且外太阳系重元素比例相对内太阳系低的多,很多天体一半以上质量都是挥发物(冰、甲烷、二氧化碳、氨等)构成,要获得铀、钍等裂变燃料可能需要挖掘几十甚至上百千米才能获得。而聚变燃料可以融化冰,过滤后提炼重水,加以电解后就能获得氘。还有前面提到的巨行星大气里的氦3。总结一下,可控聚变没想象的那么万能美好,对地球上我们的生活的改变没想象中巨大。但在某些场合又是不可或缺的、能打开新世界的大门。很多事和公众想象的完全不同,科幻离科学的距离不亚于文科和理科的差别。最后顺便发一下那只救了我第一次在外面公开演讲的黑猫(是上交大的黑猫,不是薛定谔的黑猫)照片,可惜当时来不及撸、也没留下当观众,而是自己喵喵叫,待了一会在我正式开讲前从后门出去了。补充一张当时别人拍的猫照
如果可控核聚变实现了那么我们的生活会变成怎么样
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