为什么核聚变对人类那么重要 ?

如题所述

由我国自主研发的核聚变装置成功在1.6亿度的高温下坚持运行了20秒钟,不要小看这短短的20秒,这在世界上是史无前例的。

众所周知,核能源是人类未来的发展方向,从上个世纪开始,人类开始使用核裂变的原理进行核能发电,虽然现有的核反应堆也可以产生大量能源,但是在核裂变面前实在是太少,不仅产生的能量少,辐射还非常高,遗留下来的核废料也是世界各国最为“棘手”的问题。

掌握核聚变技术,对人类而言意味着什么?

但是核聚变不一样了,核聚变可以产生巨大的能量,甚至可以用“取之不尽,用之不竭”来形容,不仅如此,相对于核裂变来说,核聚变产生的辐射反而非常少,也不用担心核废料问题。可是核聚变的条件非常高,温度需要达到上亿度才能够触发核聚变,人类虽然现在能够利用核聚变制造武器,却无法让它缓慢并持续释放能量。

太阳光就可以看作是“取之不尽,用之不竭”的能源,太阳可以持续燃烧100亿年,而它利用的就是核聚变,由此可知,掌握了核聚变技术,就好比人类可以制造太阳,对于人类社会的发展、人类文明的进步得有多大的影响!只要掌握了核聚变技术,人类可以直接迈向一级文明,而现在人类才处于0.72级文明。

开发新能源,对人类来说至关重要

能源一直是各国努力追求的方向,近代以来许多的战争,都是以争夺能源为目的,比如中东战争、海湾战争、阿富汗战争等等,全部都是以争夺能源为目的的,可见能源对于人类的重要程度。

现代工业所需要的各种金属,它们的数量也受到能源的制约,其实我们人类现在可以过去的矿产非常少,很多矿产资源都在地壳下面,而数量影响了价格,如果地底下那些大量的矿产资源也都被开发出来的话,金属的价格可能会变得非常低,包括建造各种高科技设备的稀有金属,而制约开发地底矿产资源的难题就是能源问题,如果核聚变技术突破了,那各种资源就会变得非常多,人类文明的发展也会前进一大步。

另外现在很多发达国家都掌握着能源“命脉”,比如说美国,通过多次战争,中东的石油资源基本上是美国说了算,这样美国就会越来越强大,其他国家与美国的差距就会越来越大,如此形成恶性循环,但是如果我们国家率先将核聚变“商业化”,那么超越美国也只不过是时间问题。

实现核聚变可控技术还有另外的一个重要作用,那就是人类“殖民”外星也指日可待,因为外星比如说火星月球都是没有氧气的,而制造氧气需要使用大量的能源,而利用核聚变制造氧气轻而易举,只需要用足够的水来制氧就可以了,根本不需要考虑能源问题,只需要建造足够大的基地,人类就可以在里面种植蔬菜农作物,可以进行长期的生存。

我国现在已经有了大体的规划,大约在2035年左右,会建成第一座实验核聚变反应堆,有望成为世界上第一个可以控制核聚变的国家,甚至成为世界上第一个接近一级文明的国家。

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第1个回答  2021-12-01

我们每天都能接触到核聚变能,就是太阳能,人们还用不用火,关键看替代物,如果实现可控核聚变,火也许会被电完全替代。现代人们的生活离不开家电,火将远离人们的生活,如果实现可控核聚变,核电站发电成本非常低,电价将变得非常廉价,你还会用高价的燃气煮菜做饭吗?还会开燃油车吗?如果你非要说点个火压压惊,那么,你还可以用它。

可控核聚变是未来能源,一旦实现人类将无能源问题困扰。但点根烟这样的小事未必需要用核聚变产生的能量吧,火作为人类掌握的第一种能量利用方式,大概会被保留。如果可控核聚变成现实,很多行业会产生巨大的变革,例如汽车、电动车等,淘汰化石能源,希望能逐步取消各个地方的水力发电站,还自然生态一个真正的面目。居家采用核电做饭的可能性有点小,如果以小区为单位的有可能逐步实现,逐步变革家用核电。采用以核为主的电池可能代替很多很多现阶段的电池系统。

火是人类改造自然,走向文明的一个主要元素,其现实意义在很长一段时间内不可能改变其地位。火的获得简单实用,可能会伴随整个人类社会。从放射性来说,民用的东西还是会用火,吃火锅不能在炉子里放点放射性物质吧,家里炒菜不能铀235来提供能源吧。这个三十年后只有中国掌握的技术,到时候就是人民币的第一硬通基础,全世界人民都是中国供电局管理的客户。

人类利用可控核聚变是利用其热能发电,因此今后即使人类实现了核聚变但人类还是离不开明火,比如航天飞机和火箭的发射这种由液氧产生的高温明火产生的向上推力达到宇宙速度的能量是电能无法达到的,在民间人类依然会使用明火比如中国人喜欢明火爆抄的菜肴,西方人喜爱的火炭烤肉等等,原始的人类因为学会了使用火而加快了人类的进化,为此人类永远离不开火。

第2个回答  2021-12-01
核聚变,即轻原子核(氘和氚)结合成较重的原子核(氦)时放出巨大能量。
原理  简单的回答:根据爱因斯坦质能方程E=mc2.
原子核发生聚变时,有一部分质量转化为能量释放出来。
只要微量的质量就可以转化成很大的能量。
两个轻的原子核相碰,可以形成一个原子核并释放出能量,这就是聚变反应,在这种反应中所释放的能量称聚变能。聚变能是核能利用的又一重要途径。
最重要的聚变反应有:
式中D是氘核(重氢)、T是氚核(超重氢)。以上两组反应总的效果是:
即每“烧’掉6个氘核共放出43.24MeV能量,相当于每个核子平均放出3.6MeV。它比N+裂变反应中每个核子平均放出200/236=0.85MeV高4倍。因此聚变能是比裂变能更为巨大的一种核能。
核聚变能利用的燃料是氘(D)和氚。氘在海水中大量存在。海水中大约每600个氢原子中就有一个氘原子,海水中氘的总量约40万亿吨。每升海水中所含的氘完全聚变所释放的聚变能相当于300升汽油燃料的能量。按目前世界消耗的能量计算,海水中氘的聚变能可用几百亿年。氚可以由锂制造。锂主要有锂-6和锂-7 两种同位素。锂-6吸收一个热中子后,可以变成氚并放出能量。锂-7要吸收快中子才能变成氚。地球上锂的储量虽比氘少得多,也有两千多亿吨。用它来制造氚,足够用到人类使用氘、氘聚变的年代。因此,核聚变能是一种取之不尽用之不竭的新能源。

典型的聚变反应是
411H—→42He+20-1e+2.67×107eV
21H+21H—→32He+10n+3.2×106eV
21H+21H—→31H+11H+4×106eV
31H+21H—→42He+10n+1.76×107eV
后三个反应的净反应是
521H—→42He+32He+11H+210n+2.48×107eV
即每5个21H聚变后放出2.48×107eV能量。
氘是相当丰富的氢同位素,在海洋中每6500个氢原子就有1个氘原子,这意味着海洋是极大量氘的潜在来源。仅在1L海水中就有1.03×1022个氘原子,就是说每1Km3海水中氘原子所具有的潜在能量相当于燃烧13600亿桶原油的能量,这个数字约为地球上蕴藏的石油总储量。
第3个回答  2021-12-01
这要从能量的角度谈起,到目前为止,我们的所需要能量绝大多数来自太阳,比如说石油、天然气、煤以及水力、风力发电等等,甚至我们生命的根本-食物,它们所蕴含的能量都是太阳赋予的。而太阳的能量来自于哪里呢?这一点大家都知道,它源自太阳内部的氢-氦核聚变反应。

人类现在已经可以利用核裂变来发电了,但地球上核裂变的资源是非常有限的,根据相关数据,目前地球上已探明的可以用作核裂变的原料仅仅够人类使用几十年的时间。相比之下,地球上核聚变的资源就要多出很多了,地球上的海水中拥有40万亿吨氘(氢的同位素),而如果完全利用的话,一公斤氘的核聚变反应就可以产生差不多1亿度的电能。这还没有算上宇宙中其他的广泛存在的核聚变资源,例如月球上储量惊人的氦-3。

如果人类能够随意控制核聚变的能量,我们就可以实现完全的自给自足,甚至可以不再依靠太阳!这也就意味着人类文明将会前进很大的一步,有了可控核聚变,人类走出太阳系将指日可待。换一个角度来看,核聚变是具有高效率、低成本的清洁能源,这也非常符合人类发展的方向。

核聚变的原理就是通过技术手段将氢原子“捏”在一起,使其聚变为氦,在这个过程中会释放大量的能量。以目前的科技,要使氢原子发生核聚变,就必须用高温高压的方式,这个原理很简单,原子核之间有着巨大的排斥力,我们又不可能真的能将原子核“捏”在一起,所以就只有将原子核加速,只要原子核具有足够的速度,它们就可以克服排斥力撞在一起,而高压环境下的原子核会更集中,这将大大增加原子核碰撞的概率。要将原子核加速,科学家们可以简单的用升高温度的方法来实现,由此可见,核聚变最关键的就是高温环境。

人类的末日武器-氢弹就是核聚变反应,它的原理就是利用引爆小型原子弹(核裂变)来达到高温高压的环境,进而引发氢弹的核聚变反应,并在一瞬间释放出强大的能量。

但这种反应是破坏性的,不可控制的,如果人类要利用它的能量,这种方式明显是不可行的。人类需要用一种持续的、平稳的方式来获得核聚变的能量。从理论上来讲,可控核聚变实现起来似乎并不难,只需要三步就可以,第一步、将核聚变原料放入一个容器中;第二步、对核聚变原料加温加压使其产生聚变反应;第三步、通过某种方式将容器里的能量平稳的导出来。
第4个回答  2021-12-01
不管我们要做什么事,首先要有一个原因,我们人类为什么要发展可控核聚变呢?这要从能量的角度谈起,到目前为止,我们的所需要能量绝大多数来自太阳,比如说石油、天然气、煤以及水力、风力发电等等,甚至我们生命的根本-食物,它们所蕴含的能量都是太阳赋予的。而太阳的能量来自于哪里呢?这一点大家都知道,它源自太阳内部的氢-氦核聚变反应。

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人类现在已经可以利用核裂变来发电了,但地球上核裂变的资源是非常有限的,根据相关数据,目前地球上已探明的可以用作核裂变的原料仅仅够人类使用几十年的时间。相比之下,地球上核聚变的资源就要多出很多了,地球上的海水中拥有40万亿吨氘(氢的同位素),而如果完全利用的话,一公斤氘的核聚变反应就可以产生差不多1亿度的电能。这还没有算上宇宙中其他的广泛存在的核聚变资源,例如月球上储量惊人的氦-3。
如果人类能够随意控制核聚变的能量,我们就可以实现完全的自给自足,甚至可以不再依靠太阳!这也就意味着人类文明将会前进很大的一步,有了可控核聚变,人类走出太阳系将指日可待。换一个角度来看,核聚变是具有高效率、低成本的清洁能源,这也非常符合人类发展的方向。

核聚变的原理就是通过技术手段将氢原子“捏”在一起,使其聚变为氦,在这个过程中会释放大量的能量。以目前的科技,要使氢原子发生核聚变,就必须用高温高压的方式,这个原理很简单,原子核之间有着巨大的排斥力,我们又不可能真的能将原子核“捏”在一起,所以就只有将原子核加速,只要原子核具有足够的速度,它们就可以克服排斥力撞在一起,而高压环境下的原子核会更集中,这将大大增加原子核碰撞的概率。要将原子核加速,科学家们可以简单的用升高温度的方法来实现,由此可见,核聚变最关键的就是高温环境。
人类的末日武器-氢弹就是核聚变反应,它的原理就是利用引爆小型原子弹(核裂变)来达到高温高压的环境,进而引发氢弹的核聚变反应,并在一瞬间释放出强大的能量。

但这种反应是破坏性的,不可控制的,如果人类要利用它的能量,这种方式明显是不可行的。人类需要用一种持续的、平稳的方式来获得核聚变的能量。从理论上来讲,可控核聚变实现起来似乎并不难,只需要三步就可以,第一步、将核聚变原料放入一个容器中;第二步、对核聚变原料加温加压使其产生聚变反应;第三步、通过某种方式将容器里的能量平稳的导出来。
事实上,要点燃核聚变对于人类来说并不困难,科学家们可以用多束高能激光,从各个方位对核聚变原料进行加热,从而实现“点火”的目的。但难点就在于这个“容器”上,要知道核聚变会产生至少5000万摄氏度的高温,与此同时还会产生强大的辐射能,以现在的科技,人类根本制造不出能够扛得住这种极端“折磨”的材料。
但是聪明的科学家想出了另外的办法,在高温环境下,原子中的电子与原子核之间的连接会被打破,在这种情况下电子会挣脱原子核的束缚,这种现象被称之为“电离”。失去电子之后,剩下那些原子核就变成了“等离子体”,由于等离子体是带正电的,所以它们可以被磁场约束。基于这种理论,上世纪50年代,前苏联的库尔恰托夫研究所发明了“托卡马克”装置,使人类在可控核聚变的领域迈出了从无到有的第一步。

然而用磁场来约束等离子体,在实际操作上难度是极大的。要让核聚变持续、稳定的进行,就必须要保证磁场要长时间的、非常均匀的分布,而事实上这是目前科技水平不能做到的。任何不均匀的磁场都会对等离子体造成扰动,这些扰动会在电磁作用下瞬间放大,从而使整个核聚变反应变得不受控制,要么反应太激烈,要么停止反应。
可控核聚变的难度远不止于如何约束等离子体,在很多细节上都有难以突破的瓶颈,比如说要用约束等离子体,就必须要有很强的磁场,而要制造很强的磁场就需要有强大的电流,因此只能用超导体来完成这个磁场的建设。要知道超导体必须在超低温下工作,一般的温度都需要零下200摄氏度,但它们要约束的又是温度至少是5000万摄氏度的高温物质……其中的难度可想而知。

在可控核聚变中有一个专业术语叫“第一壁”,它指的是在核聚变中面对等离子体的第一层固体隔离结构,“第一壁”起的是封闭能量的作用,如果没有了它,收集核聚变产生的能量也就无从谈起。“第一壁”也是技术上的一大难题,在几千万甚至上亿摄氏度的高温以及巨大的辐射能面前,目前人类所能制造的任何材料挺不了多长时间。
值得一提的是,在可控核聚变的研究领域,我国在全世界上是处于领先的水平, 2018年11月12日,中科院合肥物质科学研究院宣布,我国的全超导托卡马克核聚变实验装置EAST实现了“1亿摄氏度等离子体运行”等多项重大成就。

虽然可控核聚变之路困难重重,但是全世界的科学家对此热情不减,2006年,中国、美国、欧盟、俄罗斯、日本、韩国和印度启动了“国际热核聚变反应堆计划”(简称ITER),该计划参与各方投入了大量的人力物力,致力于攀登这座“人类科技的巅峰”。相信随着科技的进步,“50年之后,可控核聚变可以得到实现”。
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