核聚变最新进展,核聚变可控还是不可控(中学生都能造,科学家却50年造不出?)

10月9日,吉尼斯世界纪录网站发布了一个公告,来自美国田纳西州,现年15岁的杰克逊·奥斯瓦尔特,成为有史以来最年轻的,制造出核聚变反应堆的个人(制造出核聚变堆时离13岁还有几天,审核了2年)!

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对于核聚变我们并不陌生,一直以来都听到核聚变的新闻,开始研究到现在都已经过去半个多世纪了,连几十个国家凑一起的国际热核聚变反应堆,从2007年10月开搞以来都过去十几年了,居然还没成功,被一个小学生完败,这是什么原因?

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核聚变到底是什么原理,为什么它那么难搞?

核聚变说简单了就是太阳发光发热的原理,这个事情曾经连科学家都搞不明白,以前还以为太阳是烧煤的,但很显然用黑体辐射一算,这煤也不够烧那么久啊!最初解决这个问题的思路还是爱丁顿提出的,他认为太阳可能是轻核聚变中获得能量,尽管提出了具体的过程,但还有一个非常麻烦的问题无法解决!

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爱丁顿

因为科学家们通过光谱发现,太阳上最多的元素是氢,但氢有三种同位素,分别是氕氘氚,比例最高的是氕,几乎就100%,氘还是有一丢丢,而氚几乎就不存在,因此太阳内核正在产生的反应,必定是氕氕反应开始的!

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但氕氕反应要吸收能量,而太阳的大小与质量不足以让氕氕反应,这让科学家尴尬了,但太阳就在那里!后来这个问题被伽莫夫解决了,因为量子隧穿效应让氕氕在不太满足的条件下仍然可以反应!从而解决了太阳发光最关键的第一步!

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核聚变真就是太阳发光原理吗?

核聚变程序于1932年由澳洲科学家马克·奥利芬特发现的,1927年他在剑桥大学卡文迪许实验室工作期间用粒子加速器轰击氘核(D,重氢)产生氚(T,超重氢),成为世界上第一次核聚变实验!这里的两种物质,氘和氚很关键,它是未来氢弹和核聚变堆中最关键的燃料!

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氕氕氢同为素中比例最高的,但它聚变要求极其变态,连太阳内部也是每十亿个质子相遇才有一个机会聚变成氘,然后在于氕氘聚变成氦三,但以人类的条件,连氕氘聚变也无法实现,只能退而求其次,搞氘氚聚变,这个相对容易一些!

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氘氚核聚变

核聚变堆有什么要求?

原理我们搞明白了,那么核聚变堆怎么来实现呢?一般核聚变堆主要有两种路子,一个是前苏联在1968年搞出来的磁约束托卡马克结构形的核聚变装置,另一种则是激光点火的惯性约束核聚变装置,我们一一来简单介绍:

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磁约束核聚变装置

将高温的等氘氚离子体(导电)在约束在磁场中,然后对这些高温等离子体持续加热,使其中的氘氚原子核发生聚变释放出巨大的热量,说起来非常轻巧,但实际操作难度极高,因为高温等离子体不听话,第二则是加热方式,对等离子体怎么加热?第三则是第一壁的材料!

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被磁场约束的等离子体有数千万到上亿度的高温,在磁场中等离子体运动极其复杂,内部电流高达千万安培,扭曲模、磁岛以及磁面撕裂等问题非常严重,如果失控最好的结果是熄火,最坏甚至可能爆炸!而计算机根本难以预测,所以尽量保持得更久,可以将其加热到更高的聚变温度,就成了重中之重!

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另外悬浮在空中如何加热?一般有欧姆加热和中性粒子流加热两种方式,前者会随着等离子温度升高效率下降,后者用库伦碰撞原理将能量传递给氘氚离子,还有则是波加热方式,都存在一些难以克服的问题。

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还有就是氘氚核聚变时会产生中子,会让内壁防热传热材料变性,原理是原子核吸收多个中子后,会衰变,变成元素序号+1或者更高序号的元素,简单的说就是变成别的元素了,这材料还是耗材,经常得换,价格还很高。另外为了实现这些变态的条件,比如超导材料制造的线圈这些都比黄金还贵,所以玩核聚变堆,还不是一般人所能烧得起的!

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超导线圈安装

另一种磁约束装置是仿星器,其不规则的磁场容易产生磁感应强度周期性振荡,这会导致它的约束性能下降,面临的问题和托卡马克不一样,但一样很难解决!

则是惯性约束核聚变装置

这个原理就更简单了,用极光轰击氘氚燃料小球,让其发生聚变反应!但问题是需要上百束激光,而且加热后效率迅速下降,难以保持聚变,另外还有这个燃料小球怎么快速更换?如何将这些能量引出来?惯性约束在搞的不多,不过它在作为星际航行发动机上有比磁约束更优秀的条件。

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美国小学生搞的核聚变到底是原理,和ITER是同一路货色吗?

说了那么多废话,不就是为了说一个字“难”吗?为什么人家美国小学生都实现核聚变堆了,而全世界的科学家搞了都快半个多世纪了,连个屁都没放出来?

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美国小学生的核聚变到底是什么鬼?

“我已经能够利用电来加速氘的两个原子,因此它们融合成3氦原子并释放出中子,该中子可用来加热水并打开蒸汽机,从而产生电能。 ”,来自田纳西州的孟菲斯市奥斯瓦尔特如是说。

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奥斯瓦尔特展示吉尼斯证书

听上去非常高大上,确实也实现了核聚变,但充其量只能算是一种中子发生器!在上文中奥斯瓦尔特也说错了,核聚变并不是利用中子来烧水,中子很难利用,不过可以让锂变成氚,从而实现核聚变堆的自持氚燃料提供!

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氚的制造

这种核聚变堆有一个学名,叫做“静电场约束型核聚变装置”,它的原理和磁约束托卡马克或者仿星器原理差的就远了,它的结构是一个真空状态的大球,四周是电极,中间的金属网格小球带有高压静电,氘粒子导入后会在静电场加速下发生碰撞,最后发生聚变反应!反应过程如下:

D + D → T + p (释放4.03MeV能量)D + D → 3He + n (释放3.27MeV能量)

两种都可能发生,为什么不用(氘)D+T(氚),这个更容易!但其实氚很难获得,价格极高,不是一般人所能玩得起的,幸亏它可以让聚变中的中子轰击离产生,要不然聚变堆我们也玩不起!

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那么D+D也就是氘氘反应也可以啊,为什么那么简单的聚变反应堆不制造,要去搞什么超高难度的托卡马克和仿星器或者惯性约束聚变呢?原因很简单,因为这种静电场约束型核聚变装置就是大玩具,它的Q值极差,也就是输入的能量和输出的能量别说1:1达不到,连1000:1都没有,作为发电站,总不能输入一千瓦时,输出只有一瓦时吧,这亏本生意谁做啊?

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全世界顶尖科学家正在努力的ITER,Q值也仅仅值达到10,也就是输入1份能量,输出10份,看起来不错了吧,不过它并不能持续,而且这个比例距离商用还远得很!而在2030年即将建成的CFETR(中国)Q值能达到25以上!

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核聚变路线图

但是距离商用还有很长的路要走,顺利的情况下大约在2050年可以建成PFPP的核聚变原型堆,看到本文的大部分应该还能活着看见哈!

静电场约束型核聚变装置

所以这就是个毫无用处的聚变装置,但也不能如此定义,一个小学生能独立完成如此实验,那动手能力绝对杠杠滴,当然我们也不相信都是他个人所为,拼爹还是必须的,但主要思想和实验主导由他完成也已经很了不起了!

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我们恭喜他,但请勿盲目崇拜,毕竟这距离真正的核聚变还有一光年距离!

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