目前,世界各地的核電站都利用核裂變的原理,在這個(gè)過(guò)程中,一個(gè)原子分裂成更小的原子,同時(shí)釋放出能量,然后用來(lái)驅(qū)動(dòng)其他東西。
核聚變則是和核裂變完全相反的過(guò)程,但它也能產(chǎn)生巨大的能量。(雖然核聚變、核裂變、核衰變都釋放核能,但衰變釋放的能量不多,所以很少考慮利用)
如果你明白原理的話,你很快就會(huì)發(fā)現(xiàn),在發(fā)電方面,聚變實(shí)際上比裂變更好。
圖為:常規(guī)的幾種發(fā)電方式
核聚變發(fā)電的優(yōu)勢(shì)
首先,核聚變比裂變需要更少的燃料,最重要的是,聚變是用氘(氫的一種同位素)作為燃料,這在自然界中是相當(dāng)豐富的。
相比之下,裂變所需的燃料(鈾、钚或釷)很難獲得,而且貴得離譜!
此外,與裂變不同,聚變不會(huì)產(chǎn)生任何放射性廢料,它只產(chǎn)生氦原子作為副產(chǎn)品,我們可以用各種方式利用它。
你在商場(chǎng)門(mén)口買(mǎi)的氣球,很有可能就是氦氣球,而且氦現(xiàn)在也變得稀缺,我們要登月的一個(gè)原因就是想要月球上的氦。
圖為:核聚變和裂變的不同
另外,由于聚變不會(huì)像裂變那樣產(chǎn)生失控的連鎖反應(yīng),所以在聚變的情況下,實(shí)際上不存在熔毀(核反應(yīng)堆因無(wú)法及時(shí)冷卻而熔化造成的損毀)的風(fēng)險(xiǎn)。
那么問(wèn)題來(lái)了,既然聚變這么好,在很多方面都優(yōu)于裂變,為什么我們不利用核聚變來(lái)產(chǎn)生能量呢?
雖然我們利用聚變制造了氫彈,但是要利用它來(lái)發(fā)電,還有很長(zhǎng)的路要走。其實(shí)有很多原因?qū)е挛覀兊浆F(xiàn)在都沒(méi)法利用聚變,讓我們來(lái)看看其中的一些吧:
能量需求高,材料消耗大
我們無(wú)法利用核聚變產(chǎn)生的能量的最大原因之一,是因?yàn)樗鼘?duì)能量的要求高得令人難以置信。
我們知道核聚變需要一個(gè)初始的“點(diǎn)燃”反應(yīng),而這個(gè)初始反應(yīng)需要至少1億攝氏度的溫度,這是太陽(yáng)核心溫度的6倍多。
圖為:核聚變?cè)囼?yàn)裝置
現(xiàn)在,實(shí)驗(yàn)核聚變反應(yīng)堆確實(shí)存在,而且正在發(fā)揮作用,但它消耗的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)產(chǎn)生的能量。
如果給核聚變提供的能量超過(guò)我們從它那里獲得的能量,運(yùn)行一個(gè)核反應(yīng)堆就變得沒(méi)有任何意義。
同時(shí),我們不僅需要一種特殊的材料,當(dāng)它被加熱到1億攝氏度時(shí)不發(fā)生變化,最重要的是,需要大量的液氦來(lái)保持整個(gè)裝置的冷卻。
難以維持和容納聚變反應(yīng)
核聚變反應(yīng)一旦開(kāi)始,就需要大量的額外能量來(lái)維持。因此,我們應(yīng)該在最初的反應(yīng)中產(chǎn)生足夠多的能量,從而幫助其它原子聚變。除此之外,我們需要一個(gè)非常復(fù)雜和密集的設(shè)置來(lái)容納整個(gè)反應(yīng)。
在這里要提的是,現(xiàn)在中國(guó)在這方面技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平,全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置(EAST)已實(shí)現(xiàn)1億攝氏度等離子體運(yùn)行。
圖為:中國(guó)“人造太陽(yáng)”聚變模擬
EAST由一個(gè)甜甜圈形狀的真空室組成,氣體被泵入這個(gè)腔體,電流通過(guò)中心,使氣體帶電并形成等離子體,這種等離子體由很強(qiáng)的磁場(chǎng)容納在腔內(nèi)。
等離子體的形成是一個(gè)突破,因?yàn)檫@就是我們想要的,但是等離子體的導(dǎo)電性很高。本質(zhì)上,它會(huì)形成自己的電流和磁場(chǎng),因?yàn)樗谥車(chē)焖僖苿?dòng),從而破壞了試圖把它容納在腔內(nèi)的磁場(chǎng),所以很難使其穩(wěn)定安全。
另外,聚變反應(yīng)產(chǎn)生的高能中子撞擊反應(yīng)堆壁,反應(yīng)堆中面向等離子體的那一層叫做第一壁,這種輻射使大多數(shù)通常用于鋼鐵中的合金元素具有放射性。
所以即使技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了核聚變,也很難找到合適的材料來(lái)維持和容納這樣的極端條件。
最后
由于切爾諾貝利、福島等核事故的發(fā)生,而且“核”總是和原子彈、氫彈毀滅世界扯上關(guān)系,導(dǎo)致核能帶給公眾的都是“輻射危險(xiǎn)”。
雖然現(xiàn)在核電站沒(méi)有用核聚變發(fā)電主要還是技術(shù)問(wèn)題,但技術(shù)的沒(méi)法突破很大原因是資金。
因?yàn)槿魏闻c核能有關(guān)的東西通常很難讓大眾接受,所以很難得到大筆資金的支持,這種對(duì)技術(shù)和材料要求高的東西肯定要花不少錢(qián)。
說(shuō)實(shí)話,核能(裂變或聚變)是我們今天能獲得的“最清潔”和最安全的能源之一。
然而,要使核聚變成為技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上可行的過(guò)程,我們可能還需要幾年時(shí)間。
一旦核聚變的能量被開(kāi)發(fā)和控制,我們就再也不用擔(dān)心能源耗盡了……永遠(yuǎn)!
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