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美國(guó)宣布首次實(shí)現(xiàn)核聚變凈能量增益,距離商業(yè)化還有多遠(yuǎn)?
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李澤西歡迎一切建議和意見(jiàn) lizexi@guancha.cn
最后更新: 2022-12-14 13:40:00“氫彈”和“鋰彈”
氘是氫的一個(gè)穩(wěn)定同位素,豐度為0.0156%,可以直接從水里通過(guò)分解等常規(guī)工業(yè)手段提取。氚具放射性,半衰年為12.43年,因此需要人為“現(xiàn)用現(xiàn)造”;一般生產(chǎn)途徑是用中子撞擊鋰的兩個(gè)主要同位素(鋰-6和鋰-7)。目前最常見(jiàn)的生產(chǎn)途徑是利用核裂變過(guò)程產(chǎn)出的中子觸發(fā)鋰的聚變,不過(guò)由于氘氚反應(yīng)本身也會(huì)產(chǎn)生中子,隨著未來(lái)的持續(xù)研發(fā),或許可能實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)”。
相較更出名的核裂變,核聚變產(chǎn)生的核廢料一般半衰期極短,即很快就消失,且由于需要極高的溫度和壓力(核裂變一般只需要幾千度,在正常氣壓下亦可持續(xù)),反應(yīng)堆出現(xiàn)任何意外情況,反應(yīng)會(huì)立刻自動(dòng)終止,基本不存在核泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。兩者的碳排放理論上均為零,都被認(rèn)為是“清潔能源的未來(lái)”,不過(guò)核聚變由于沒(méi)有核裂變的負(fù)面包袱而相對(duì)更受青睞。
核裂變的發(fā)生原理是因?yàn)槿缛糨^重的原子核分裂,新生核子質(zhì)量也會(huì)不及原來(lái)核子質(zhì)量。
核結(jié)合能,從輕重兩端“往上走”釋放能量,頂部的鐵(Fe)“最穩(wěn)定”
不過(guò),這些較重的原子只可能在恒星爆炸過(guò)程中產(chǎn)生,分布較少,因此燃料有限。此外,雖然核裂變的能量密度極高,常用于一些需要極高能量密度的航天應(yīng)用,但是其能量密度遠(yuǎn)不及核聚變:每公斤鈾裂變大約產(chǎn)生80萬(wàn)億焦耳的能量,但是每公斤氘氚聚變大約產(chǎn)生340萬(wàn)億焦耳的能量。
這也是為什么氫彈比原子彈威力更大;全球目前威力最大的“沙皇炸彈”就是一個(gè)典型的氫彈,威力超5000萬(wàn)噸爆炸當(dāng)量。原子彈的工作原理相對(duì)簡(jiǎn)單,一個(gè)觸發(fā)機(jī)制引爆核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。氫彈則需要上述核裂變反應(yīng)發(fā)生,誘發(fā)核聚變反應(yīng);實(shí)際上,大多數(shù)當(dāng)代的氫彈中,只含少量的氫原子,大多數(shù)核聚變?nèi)剂蠈?shí)際上是鋰,通過(guò)吸收核裂變反應(yīng)產(chǎn)生的中子迅速聚變?yōu)楹司圩內(nèi)剂?。有些人甚至稱(chēng),“氫彈”實(shí)際上應(yīng)該改名“鋰彈”,才能更準(zhǔn)確的反應(yīng)其中儲(chǔ)存的核聚變?nèi)剂稀?
氫彈爆炸過(guò)程(圖源:中國(guó)工程物理研究院)
“氫彈”于1952年首次引爆,然而用核聚變產(chǎn)生能量的研究就復(fù)雜多了,因?yàn)闅鋸検峭ㄟ^(guò)核裂變帶來(lái)的威力才能在一瞬間維持核聚變反應(yīng);雖然核聚變釋放的能量遠(yuǎn)超核裂變所投入的能量(Q達(dá)數(shù)十),但這一反應(yīng)顯然是不可控的。
在和平核聚變研究的開(kāi)始,科學(xué)家很快發(fā)現(xiàn)無(wú)法輕易復(fù)制太陽(yáng)或氫彈中心的條件,因此有些科學(xué)家提議,是否可以直接從氫彈提取核聚變能量?美國(guó)在1970年代一度研究過(guò)“PACER項(xiàng)目”,即在地下鹽丘中連續(xù)引爆氫彈,通過(guò)產(chǎn)生的熱能發(fā)電。不過(guò),該項(xiàng)目因“巨大的技術(shù)難度”、“公眾對(duì)此的潛在反對(duì)”以及“沒(méi)有價(jià)格優(yōu)勢(shì)”而在1975年被叫停。
一定程度上,“慣性約束聚變”與氫彈的原理有些相同之處。兩者都是利用外來(lái)的能源,“脈沖式”瞬間“點(diǎn)火”核聚變反應(yīng),希望在核聚變溫度條件成熟,而燃料尚未散開(kāi)的短暫窗口期間,產(chǎn)出超出投入的能量?!皯T性約束聚變”由于規(guī)模更小,這一窗口也就更為短暫,因此此前一直無(wú)法突破Q>1的界限。
此外,許多航天機(jī)構(gòu)還多次研究過(guò)核脈沖推進(jìn),即通過(guò)持續(xù)的核反應(yīng)快速高效加速航天器。英國(guó)星際學(xué)會(huì)曾在1970年代提出“代達(dá)羅斯計(jì)劃”,利用“慣性約束聚變”,將一個(gè)無(wú)人衛(wèi)星50年內(nèi)飛經(jīng)距離地球6光年的巴納德星。美國(guó)國(guó)家航天局也曾在1980年代研究過(guò)“Longshot計(jì)劃(‘孤注一擲計(jì)劃’)”,也利用“慣性約束聚變”,將一個(gè)無(wú)人衛(wèi)星數(shù)十年內(nèi)送抵距離地球4光年的南門(mén)二。兩個(gè)計(jì)劃目前都沒(méi)有得到任何政府的重視。
目前核聚變研究基本上都使用技術(shù)要求最低的氘氚反應(yīng)。放眼未來(lái),“簡(jiǎn)易程度”僅次于氘氚反應(yīng)的是氘和氦-3(2個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子)反應(yīng),也有較為廣闊的發(fā)展前景,可能可以推動(dòng)人類(lèi)走向太空。在月球上,中國(guó)等國(guó)的航天局已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大量氦-3礦,一方面成為多國(guó)探月的目標(biāo)之一,另一方面也可成為進(jìn)一步探索宇宙的重要燃料。
吳征威認(rèn)為,雖然我們距離商用的核聚變還有較遠(yuǎn)的距離,但是NIF能實(shí)現(xiàn)增益“確實(shí)已經(jīng)很了不起了”,將推動(dòng)人類(lèi)進(jìn)一步接近解鎖核聚變的“無(wú)限能源可能”。
- 責(zé)任編輯: 李澤西 
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