问题

为什么很多人都认为核聚变是人类的终极能源供应?

回答
很多人认为核聚变是人类的终极能源供应,是因为它具备一系列颠覆性的优势,一旦实现可控、商业化的核聚变,将彻底改变我们获取和使用能源的方式。下面我将详细阐述其中的原因:

1. 几乎取之不尽的燃料:

氘(Deuterium): 这是核聚变中最常使用的燃料之一。氘是氢的同位素,在地球上的海洋里储量极其丰富。每升海水中含有约33毫克的氘,相当于地壳中所有化石燃料总能量的数千倍。粗略计算,地球上已知的海洋中的氘总量,足以供人类使用数十亿年。
氚(Tritium): 这是另一种重要的聚变燃料,但它在自然界中的储量非常稀少,是放射性同位素,半衰期只有约12.3年。然而,核聚变反应本身可以通过“锂(Lithium)”来“增殖”氚。锂在地球上的储量也很可观,足够供人类使用数千年。这意味着一旦我们掌握了利用氘和锂进行聚变的技术,燃料供应将不再是主要问题。
与核裂变对比: 核裂变(如目前核电站使用的铀裂变)的燃料铀,虽然储量也比化石燃料多,但相较于氘和锂的储量,仍然是有限的。

2. 极高的能量密度:

比化石燃料高得多: 核聚变反应释放的能量是化学反应(如燃烧化石燃料)的数百万倍。这意味着极少量的燃料就能产生巨大的能量。
比核裂变更高: 虽然核裂变也拥有很高的能量密度,但核聚变在这方面更胜一筹。例如,1克氘和氚的混合物聚变释放的能量,相当于燃烧8吨煤或20吨石油所释放的能量。
效率的巨大提升: 这意味着更少的原料消耗,更少的运输需求,以及更集约化的能源生产。

3. 安全性:

内在的安全性: 核聚变反应不像核裂变那样存在链式反应失控的风险。聚变反应的条件非常苛刻,一旦出现任何偏差(例如温度或压力下降),反应就会立即停止,不会发生类似核裂变堆“熔毁”的灾难性事故。
辐射风险可控: 核聚变反应本身不会产生长寿命的放射性废物,其主要的放射性产物是中子。这些中子会激活反应堆的材料,使其具有一定的放射性,但这种放射性随着时间的推移会迅速衰减,远低于核裂变产生的长期放射性废物。堆体材料的设计可以通过选择合适的材料来最大程度地减少诱导放射性。
避免核扩散的风险: 核聚变不涉及铀浓缩和钚的生产,因此不存在核武器扩散的风险。

4. 对环境的友好性:

零温室气体排放: 核聚变反应的产物主要是氦,这是一种惰性气体,对环境无害,也不会产生任何温室气体。这将是应对气候变化的关键。
无大气污染物: 与燃烧化石燃料不同,核聚变不会产生二氧化硫、氮氧化物等导致空气污染和酸雨的物质。
放射性废物问题得到极大缓解: 如前所述,核聚变产生的放射性废物量少、半衰期短,易于处理和储存,与核裂变产生的长期高放射性废物相比,其环境影响可以忽略不计。

5. 能源独立的潜力:

分布式能源: 由于燃料(氘)的普遍性,任何拥有先进技术的国家都可以拥有自己的聚变能源。这将大大降低对少数化石燃料资源丰富国家的依赖,促进全球能源格局的稳定和公平。
降低地缘政治风险: 减少对化石燃料的依赖,可以显著降低因能源资源引发的地缘政治冲突的可能性。

核聚变为何被称为“终极能源”?

综合以上几点,核聚变之所以被誉为“终极能源”,是因为它几乎完美地解决了我们当前能源系统面临的诸多挑战:

资源枯竭的问题: 燃料几乎无限。
环境污染和气候变化问题: 零排放,无污染。
能源安全和地缘政治问题: 能源独立,风险低。
安全问题: 内在安全,风险极低。

然而,实现核聚变能源的道路并非一帆风顺,其最大的挑战在于技术实现的难度:

达到和维持“聚变条件”: 需要将燃料(通常是氘和氚的混合物)加热到上亿摄氏度,并在此高温下约束等离子体,使其密度和约束时间达到能够持续发生聚变反应的阈值。这远超太阳核心的温度和压力。
等离子体约束技术: 目前主流的约束方式有两种:
磁约束聚变(如托卡马克和仿星器): 利用强大的磁场来约束高温等离子体,使其不接触容器壁。
惯性约束聚变: 利用高能激光或粒子束瞬间加热和压缩燃料靶丸,使其在惯性力的作用下发生聚变。
材料科学的挑战: 反应堆材料需要承受极高的温度、强烈的辐射和高能中子的轰击而不被损坏。
能量输出的效率: 需要确保聚变反应产生的能量能够稳定且高效地转化为可用的电能,并且能量输出要大于维持反应所需的能量输入(即实现“能量净增益”或“Q值”大于1)。
成本问题: 目前,建造和运行聚变实验装置的成本非常高昂。

尽管存在这些巨大的技术挑战,但全球科学家和工程师们一直在不懈努力,取得了显著的进展。例如,国际热核聚变实验堆(ITER)项目是目前全球最大的聚变研究项目,旨在验证聚变发电的可行性。一些私营企业也正在积极研发更紧凑、更易实现的聚变技术。

总结来说,核聚变之所以被寄予厚望,是因为它承诺提供一种近乎无限、清洁、安全且高效的能源,能够从根本上解决人类长期以来面临的能源和环境问题。一旦成功实现商业化,它将为人类文明的持续发展提供坚实的基础,成为名副其实的“终极能源”。

网友意见

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请很多核能或者工程专业的同学多担待一下,本人才疏学浅,另外,对于本文中存在的错误也请不吝赐教。

因为之前的计算太过简陋,误导了很多同学,现在对答案进行大幅度扩充。

这是人类2013年能量消耗的分布图:

图片来自

How Tesla Will Change The World - Wait But Why

其中,核能和可再生能源在饼图中远远落后于传统能源的消耗,在利用率和原料产出上也远远不及。然而核能这块的潜力值无限,供能范围广泛。我们来看这张图:

图片来自

Binding energy - Wikipedia

所谓原子能的释放,在理论上说,就是使平均结合能低的核子转变为平均结合能高的核子,在转变的过程中,增加的结合能被释放出来,有两种方法可以达到这个目的。第一,就是利用重核分裂成两个质量中等的核子,例如铀或者钚反应堆能量的收割。第二,就是将两个或者数个轻核聚合或者融合到一起成为一个相对较重的核子,例如氘和氚相互作用可产生氦和中子,并释放出能量。那么有多少能量呢?

这是传统能源的对比列表:

图片来自

Energy Content in Some Common Energy Sources

1Btu - British Thermal Unit,也就是1 Btu (British thermal unit) = 1055.06 J;

把能量转化为能量密度,可以看到烧煤的质量能量密度(不是体积能量密度)为:

而一个铀-235的原子发生和裂变产生的能量是202.5MeV =

,转化成质量能量密度为:83.14 TJ/kg;

也就是说一个铀-235原子的核裂变,其能量密度是烧煤的280万倍!

下面,再来对比一下核聚变和核裂变

不妨来看看一下:

上述第一个反应是核聚变,最初的氢弹中进行的也就是这个反应:

作为反应物的氘氚核子,摩尔质量为3g/mol和2g/mol,为了计算和比较方便,让二者的物质的量均为1mol,这样我们可以知道,完全参加核反应的2g氘核和3g氚核的数目为:1mol

也就是

因此聚变产生的能量的为:

上述第二个反应是核裂变链式反应中的一种,一般地说,铀核的裂变产物可能有三、四十种之多,裂变时产生的碎片也有许多种可能,因此我们就看上面这个反应式子:

当铀-235吸收了一个慢中子之后,形成不稳定的铀-236,作为反应物,摩尔质量为236g/mol,为了计算和比较方便,让其物质的量均为1mol,这样我们可以知道,参加核裂变的236g核子的数目为:

因此裂变产生的能量的为:

虽说裂变的能量比聚变要多上那么一些,但是变成质量能量密度的话:

就这两个反应上,核聚变的质量能量密度是核裂变的4倍。同样质量的核燃料,聚变反应会比裂变反应放出更多的能量。

考虑到安全性,下图是锕系元素和裂变产物的半衰期:

图片来自

Nuclear fission product

与核裂变相比较,核聚变所产生的核废料半衰期短、核泄漏危害小、安全性高。

而且,对于核裂变,为了使得链式反应可以正常进行,必须保证由原子核裂变所产生的中子能补偿为引起核反应(包括裂变和不裂变的)或者逸出反应堆而耗损的中子,这条件只有在反应堆(或者铀块)具有一个最低限度的体积时才能实现,这个最低限度的体积叫做临界体积。而氢弹中的氘氚聚变反应不受临界体积的限制,所以,氢弹的爆炸力比原子弹要更加猛烈。

另外,说道氘氚核聚变反应,其原材料可直接取自海水,几乎取之不尽,因而是比较理想的能源取得方式。具体说明见长答案。

截图来自

https://www.youtube.com/watch?v=oHQFNXEKRWI

至于反物质能源,先做到收集起来就不错了。反物质无法在自然界找到,必须在人工环境下合成,是由加速粒子打击固定靶产生反粒子,再减速合成的。此过程所需要的能量远大于湮灭作用所放出的能量,且生成反物质的速率极低,投入产出比为

。如果我们把在欧洲核子研究中心能制造出来的所有反物质组装进行供能的话,这份能量只能维持一个白炽灯泡几分钟。

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(看科普的人可以不看这段)

这是我修改答案前,被知友批评的计算和表述,确实错的很多,承认打脸:

首先在把英文单位写完后,我太着急了,于是在电子伏特之前忘了加"兆",我承认打脸,这是我的疏忽;

另外,这两个反应的释放能量是,一个氘原子和一个氦原子聚变释放17.6 MeV的能量,以及一个铀原子裂变所释放的能量是177 Mev能量,这个数字不是我瞎编的,我看到的数据来自:

ems.psu.edu/~radovic/Ch

Why does nuclear fusion give more energy that nuclear fission?

关于我为什么要用2g而不是2u或者相对原子质量2g/mol,主要是为了让反应物为1mol,简便运算

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动画版:

宇宙的基础货币就是能量。

截图来自

https://www.youtube.com/watch?v=oHQFNXEKRWI

能量小到你的跑步上课,大到可以照亮屋子、培育作物,为城市供电。在自然界里,捕获能量的形式可以有很多:烧一烧化石燃料、裂一裂原子、接一接太阳能、摇一摇锂离子。但上面所提的这几种方案都有自己的缺陷:1)化石燃料以碳排放危害环境,其中一个明显的代价就是全球变暖,更别提它带来的多米诺骨牌效应了;2)核裂变的产物中不少具有高放射性,因半衰期的不同,其泄露的危害也各不相同;3)太阳能电池的转化效率不高,并且现在还没有足够多的电池可以储存足够的能量给阴雨天备用呢;4)锂离子电池是目前最为商业化的能源系统,但其受限于材料的对锂电压、电池的电化学环境等固有上限,续航有限。

截图来自

youtube.com/watch?

然而,我们的太阳看上去具有无限的、免费的能量。那么让我们先了解一下太阳的造血原理吧。

我们的太阳是一颗主序星,通过原子核的融合产生能量。在它的核心,太阳产生以每秒钟6.2亿吨氢的核聚变。

图片来自

Cold Nuclear Fusion Powers the Sun - 1

等等,什么叫做核聚变???

简而言之,核聚变是一种热核融合反应,意味着其材质必须要热到无与伦比的程度、热到让原子上的电子离家出走。于是乎,这堆物质就熬成了一锅等离子体汤,在这堆电浆中,原子核和电子自由的翱翔。

截图来自纪录片《宇宙是如何运行的》

而原子核带正电,那么可想而知两个原子核之间的库仑力会阻二者的接近,所以要克服这股排斥力、做掉库伦势垒,粒子必须要动若脱兔、形如闪电,并且还要很好的控制等离子体的密度和约束时间(反应时间),那么也就意味着系统的温度要非常非常的高,要好几百万摄氏度!

图片来自

Nuclear Fusion in the Sun

恒星会通过“作弊”来达到这种温度,因为身型硕大,核心的压力产生的热量会把核子们挤成一团,然后将它们融到一块,这样会创造出较重的原子核,并在过程中释放出大量的能量。

截图来自

youtube.com/watch?

这份能量令无数科学家为之折腰,以至于他们想要在核融合反应堆中进行收割。不过,就算在热度巨大、密度极高的太阳中心,平均算起来,每个质子也要等待数十亿年才能参与一次聚变。不仅如此,要使聚变的能量可以得到有效利用,内部原子核的利用率必须得到提升,因此把反应温度提高到数千万度或者施加极大的压强来实现自持聚变反应并获得能量的增益是唯一可能的途径,这其中所依赖的一个重要原则就是劳森判据(标准)。在地球上,像太阳一样如此暴力地产生核聚变是不可能的,因此想要达到劳森判据的难度很大。

图片来自

youtube.com/watch?
核聚变反应速度会一直与温度一起上升,直到最大反应速率温度后、逐渐下降。氘氚反应速度峰值的温度是最低的(约70 keV或八亿度k)

引自

Lawson criterion

不过,这是难不倒地球人的。

迄今为止,科学家已经发明了两种使电浆热到足以产生融合的方式。

第一类型: 磁约束聚变

把等离子浆挤压在甜甜圈形状的空间里,拘束住高热等离子体中的带电粒子,使它进行螺线运动,进一步加热等离子体,这里面就会发生核聚变。

截图来自youtube.com/watch?

这些磁力可以约束反应炉,典型如法国的 I.T.E.R(International Thermonuclear Experimental Reactor,国际热核聚变实验反应堆):

图片来自ITER - Wikipedia

透过液态氦冷却的超导体电磁铁,使其温度被降到离绝对零度不到几度,这也就意味着里面存在已知的宇宙中含有的最大的温差!

第二类型:惯性约束聚变

这种技术使用超高能量的雷射脉冲,来加热燃料丸的表面,使其内爆,因为时间极短,燃料的热度又极大、密度极高,因此达到产生融合的临界。

下面是维基的注解:

以激光进行惯性约束聚变的图解。蓝色箭头代表激光;橘色代表固态球状核燃料向外爆裂的力量;紫色代表因激光热能而产生向内的惯性作用力。
1. 激光光束,或是以激光产生的X光,快速加热燃料球表面,在周围形成等离子体。
2. 燃料核因为表面爆裂产生向内的反作用力,遭到挤压。
3. 当燃料核的密度比铅还大二十倍,温度到达100,000,000˚C,进入最后阶段。
4. 压缩后的燃料核,产生的热量快速向外放射,发散的能量是激光光束加在燃料球上的数倍。

引自Inertial confinement fusion

事实上,世界上最强大的雷射之一正是用于核融合实验,它位在美国的国家点火设施。这些实验以及其他世界各地的类似设施,到目前为止都还只是实验,科学家们仍在开发这项科技,虽然他们可以实现融合。目前,做这实验要花的电比核融合产生的电还多,在有商业价值之前,这项科技还有很长的路要走。截图来自youtube.com/watch?

也许这永远不会成功,也许在地球上建造一个可行的核融合反应炉是不可能的,但如果我们做到了,它的效能会非常高,一杯海水就可以产生,跟一桶油一样多的能量,而且不会产生废气。这是因为核融合反应炉将使用氢或氦作为燃料,而海水有满满的氢。

截图来自youtube.com/watch?

但不是任何的氢都可以用,必须使用具备额外中子的氢同位素,就是所谓的氘和氚,才能产生正确的反应。氘是稳定的,在海水里就可以找到很多,不过氚有点难对付,它有放射性,并且全球可能只有20公斤的氚,大多在核弹头里,所以它非常昂贵。

截图来自youtube.com/watch?

因此,我们需要氘的核融合好友,我们不用氚,而是用氦的同位素——氦-3;它可能是一个很棒的替代品,不幸的是,它在地球上极其稀少。但在月球这里可能有答案。几十亿年间,太阳风可能已经在月球上堆满了,大量的氦-3,我们不用亲自生产氦-3,我们可以去挖掘它。

截图来自youtube.com/watch?

如果我们可以把月球尘埃过筛,寻找氦,那我们就会有足够的燃料让全世界使用几千年,如果你不支持月球基地的话,这是建立月球基地的又一个理由。

好吧,也许你认为制造一个小型太阳,听起来有点危险,但他们实际上比大多数其他类型的发电厂更安全,核融合反应炉并不像普通的核电厂,它不会灾难性的融解,如果约束失败了,那么里面的等离子体浆会扩大并冷却,导致核反应停止,简单地说,它不会变成炸弹。

截图来自youtube.com/watch?

当然,放射性燃料的释放,比如说氚可能对环境造成威胁。氚可以与和氧结合,产生有放射性的水

这可能是危险的,因为它会渗透到环境里面。幸运的是,我们每次使用的量不会超过几公克,所以泄漏物很快会被稀释掉,所以,我们刚告诉你世界上有几乎无限的能量,又不必牺牲环境,就存在在水里。


图片来自Nuclear Decay | Chemistry@TutorVista.com

辣么,我们为什么不用?

答案是成本。我们根本不知道核融合有没有商业价值,即使有可能建造,它们可能贵到盖不出来

它的主要缺点是,这是未经验证的技术,可以说是百亿美元的豪赌,而这些钱用在其他已经证实可行的干净能源上,可能会更好,也许我们应该现在收手不干。

图片来自youtube.com/watch?

又或许,当成果可以让每个人享有无限绿色能源时,这可能是值得冒险的。

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参考资料:

Nuclear fusion - Wikipedia

Nuclear fission - Wikipedia

Lawson criterion

Inertial confinement fusion

Tokamak - Wikipedia

Antimatter - Wikipedia

CERN - Wikipedia

How is antimatter created?

How close are we to nuclear fusion?

Angels & Demons - The science behind the story

youtube.com/watch?

youtube.com/watch?

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关于题主的问题,其实最靠谱的答案是:反物质只是储存能量的手段,而非产生能量的手段。

用反物质提供能量,逻辑很简单,就是拿正物质和反物质互相湮灭,产生能量。反物质怎么来?科幻小说中我看到过的有三种方法:

1、用能量无中生有地生产反物质

2、找到反物质矿,挖

3、有“点石成金”的科技,把物质变成反物质

头两种,反物质本身只是起到了电池的作用,并没有“生产”能量的作用。而第三种方法,无疑太不“科幻”了。所以说,在目前的科幻体系中,反物质本身并不能作为一种普世有效的产能机制使用。

此外,一个人的幻想,很难超过他所处的时代。在三巨头为代表的时代,核能还是个很新很时髦的概念,所以围绕核能大做文章,也是很正常的(阿西莫夫还以为未来电脑的输出方式是纸带呢,可见大师的想象力还是局限于时代)

至于超脱现有物理框架的设想,那就是天马行空了,各人有各人的想法,达不成一致,自然也没主流想法一说了

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