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能源的未来,是核聚变

2017年4月21日17:11浏览次数:574来源:原理  分享到硅业在线微博

  摘要:让我们暂时抛开气候的相关问题。也就是说完全忽略二氧化碳、地球的大气层、温室效应、全球性温度、海洋酸化和海平面上升之间的联系。

      硅业在线赢硅网4月21日讯 让我们暂时抛开气候的相关问题。也就是说完全忽略二氧化碳、地球的大气层、温室效应、全球性温度、海洋酸化和海平面上升之间的联系。从长远来看,我们仍然需要为能源的未来未雨绸缪。今天,世界上广泛使用的能源有两种:化石燃料(比如煤炭、石油或天然气)和可再生能源(比如风力、太阳能和水利发电)。它们各自都面临着一些问题。

  

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  △ 即使我们忽略二氧化碳导致的全球气候变化问题,地球上的化石燃料都是有限的,而且提炼、运输、精炼和燃烧它们都会导致大量的污染问题。(图片来源:Greg Goebel)

  化石燃料的问题很明显:一旦耗尽,就无法简单的产生更多,其总量是有限的。而且燃烧化石燃料也会产生污染,这是因为这些碳基燃料源的化学成分并不仅仅包含了碳和氢,燃烧它们(以产生能量)也会燃烧所有的不纯净物,并将它们释放到空气中。此外,提炼、运输和精炼的过程也不干净,会导致水源污染等。

  

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  △ 风电场以及其它的可再生能源依赖于环境的变化,导致了不可控和不连续的问题。(图片来源:Winchell Joshua, U.S. Fish and Wildlife Service)

  另一方面,可再生能源即使在它们发挥最出色的时候,也面临着不连续的缺点,比如遭遇到干旱或阴天等状况。同时,制造太阳能电板、建造水坝、生产风力涡轮机、以及制造需要储存大量能量的材料所产生的相关污染,使这些所谓的“绿色能源”也并非想象中的那么“绿色”。

  面对这些问题,我们还有其它的选项吗?当然,一个长期的解决方案是核聚变。

  

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  △ 核反应堆实验,蓝色辉光是契伦科夫辐射。(图片来源:Centro Atomico Bariloche, via Pieck Darío)

  大多数人听到“核能”的时候总是会下意识的产生强烈的负面反应,这大概是因为我们时常听到核武器和核废料的概念,以及发生过的几次严重的核电站灾难性的事故(比如切尔诺贝利、三里岛和日本福岛)造成的环境破坏。当我们提到核裂变的时候,这些畏惧并不是完全没有根据的。但核裂变并不是唯一的选择。

  

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  △ 太阳以及其它恒星,都是宇宙中的天然核聚变反应堆。它们之所以会发光都是因为在其核心进行着核聚变反应。(图片来源:DM)

  1952年,美国在太平洋的埃内韦塔克环礁引爆了常春藤麦克核装置,这是人类第一次在地球上发生核聚变事件。我们知道,核裂变是指由较重的、不稳定的元素,比如钍、铀或钚(这些元素都具有较强的放射性),分裂成较轻的放射性元素,并释放出能量。然而,核聚变所需要的反应物是稳定的轻元素,比如氢、氦和锂等元素的同位素。聚变的产物也都是稳定的轻元素,比如氦、锂、铍和硼。

  

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  △ 质子-质子链反应是恒星内部将氢聚变成氦的集中核聚变反应中的一种。(图片来源:Wikimedia Commons)

  目前,无论是不受控或受控环境,核裂变都比较容易发生,并且能够轻松的超过均等临界点——能量输出要高于输入。但核聚变在受控的环境中却从来没有达到过均等临界点。为此科学家经过了长期不懈的努力,才有了今天的四种可能性:

  惯性约束核聚变:利用激光将氢燃料丸——核聚变反应的燃料——进行压缩,使氢聚变成更重的元素(比如氦),并释放出大量的能量。

  磁约束核聚变:利用电磁力代替机械压缩。磁场会压缩超高温等离子体,使核聚变反应在托卡马克式的反应堆内发生。

  磁化靶核聚变:结合了以上两种方法,利用磁场来约束超高温等离子体,并用周围的活塞压缩燃料,使内部产生核聚变。

  次临界核聚变:使用一种零融毁的次临界核裂变反应,来代替高温和惯性,触发核聚变反应的产生。

  过去几十年,前两种方法一直是科学家在研究的方法,离达到均等临界点的目标似乎也越来越近。而后两种方法是近些年才出现的,特别是最后一种吸引了许多新的投资者和初创公司的加入。

  

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  △ 该核聚变反应堆中的等离子体的温度极高,以至于不再发光。只有在靠近反应堆壁的温度较低的等离子才能被看到。(图片来源:National Fusion Research Institute, Korea)

  未来,寻找一种可持续、并且无污染的新能源,是人类迫切需要解决的问题。从物理角度思考,核聚变是目前最完美选择。不幸的是,受控核聚变反应堆的研究从来都没有得到足够的资金支持。如果我们能够把“核能”和“潜在的灾难”之间的联系从脑海中抹去,聚集更多的力量以解决资金和工程方面的难题,或许不久的将来,我们就能够真正的获得取之不尽的绿色能源。

 

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