能源是推动世界经济社会和科学技术发展所必须的能量资源,无论是工农业生产,还是维持个体健康发展,无时无刻不在进行着能量的消耗和转化。
那么,根据能源的成因不同,我们通常将能源划分为一次能源和二次能源,其中在一次能源是自然界中本来就存在的能源,根据其能否再生,进一步划分为可再生的一次能源(比如太阳能、风能、水能、生物质能等)和不可再生一次能源(比如煤、天然气、石油、核能等);二次能源是通过一次能源加工或者转化之后得到的其它形式的能源(比如煤油、汽油、沼气等)。随着经济社会发展水平的不断提升,人类社会对各种能源的需求也日益提升,在新型能源没有得到广泛应用、能源利用效率不高的情况下,于是逐渐产生了能源不足和危机。
为了破解或者缓解这种能源危机,必须要改变能源利用结构,同时提高能源利用效率,除了大力发展常规的水、风、地热等清洁能源外,对核能的研发和利用越来越得到科学家们的重视和青睐。
核能的原理,其实就是通过改变原子核结构的相关核反应,来达到从原子核中释放出能量的目的。根据核反应原子核的变化情况,可以将核能细分为核裂变、核聚变和核衰变三种方式。其中核裂变和核衰变都是由较大原子序数的原子演变为原子序数较小的原子,只不过衰变是自发进行的,裂变是由一个重原子在特定的条件下(外界环境影响下)分裂为两个或多个轻原子。目前世界上建设的核电站,工作原理都是通过核裂变过程中所释放的大量能量,将其最终转化为电能的过程,虽然技术已经比较成熟,但是却存在重核原料不足、污染环境、能源利用效率不高、有发生核泄露事故的风险等问题。
相较于核裂变,科学家们从太阳内部的核聚变上得来了“灵感”,如果可以模拟太阳内部的环境,将地球上分布广泛的氘、氚这两种结构最为简单的氢同位素约束起来,在极高的高温环境下使其发生核聚变反应,从而释放大量能量,这样不但可以从根本上化解地球能源危机,而且反应过程中基本没有污染的产生,也不具备放射性,是一种非常清洁、高效和安全的能源获取途径。
从上世纪五、六十年代开始,科学家们就在如何创造这种可控的核聚变环境而不懈努力。按照太阳内部核聚变的激发条件,当两个轻原子相互的距离非常靠近,达到10^-15米级别时,便会有几率发生量子隧穿效应,一个原子核中的质子会突破原子间的库仑斥力,进入另外一个原子核中,从而形成新的原子,激发出核聚变的序幕。由于太阳内部具有非常高的温度和压力,因此能够拥有这种环境供核聚变的产生。
而在地球上,要想同时达到太阳内部那样的超高压和超高温是不可能的。因此,科学家们想到一种方法,就是利用强大的磁场约束,将处于高温高密度状态的等离子体维持在一个封闭的设备内,使其在各自强大的动能状态下极大提高相互碰撞结合的能力,从而推动热核聚变的产生。
但是,由于可控核聚变需要超强的磁场约束,能够形成超强磁场的超导体如何选择、如何确保稳定运行都是需要技术突破的一个重要方面,也就是说,科学家自从提出可控核聚变的概念以来,一直都在做着如何稳定、安全、高效地约束住容器内部的超高温等离子体,我国在这方面目前实现了技术领先,继2018年合肥人造太阳实现了1亿度等离子体运行后,我国已经在成都又开启了新的人造太阳计划,就在前不久,成都人造太阳实现了中国环流器二号M正式建成放电,揭开了向3亿度运行冲刺的序幕。
虽然我国的人造太阳研究取得了令世人瞩目的成果,但是距离真正意义上的可控核聚变还差距甚远,除了刚才提到的超导材料形成的磁场约束硬条件外,能量的输入和输出比更是衡量是否可控和是否可持续的关键。从目前来看,虽然我们能够实现上亿度的等离子体约束运行,但那几十秒的运行,是用巨大的能量输入做保障的,因此这种研究和探索仍然是实验阶段,距离真正的“量产”差距不是一点半点。
即使以后可控核聚变真的实现可持续性运行,并且可以实现净能量输出,但是,如果不在氘、氚、氦3等原材料提纯,超导体运行维护、封闭设备新材料研制及耗损维护、特高压输电等方面取得N级技术突破的话,想要获得低廉的用电成本简直是痴人说梦,更别说一毛钱一度电了,这种想法把可控核聚变的实现想象得太简单了点吧。
不过,期望还是期望,或许经过几代几十代科学家们的持续努力,成熟的可控核聚变就真的可以呈现在世人面前了,那时的人类可能每个人都会感受到能源不竭的欣喜和震撼,伴随而来的,不但包括能源危机的解除、更为廉价的用电成本,深空探测推进模式的革新、全球生态环境的改善也都会让人大开眼界,世界经济社会发展和人类文明的发展,必将迈入一个崭新的阶段。
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