可控核聚变一旦实现,100克的核燃料,可以让一辆汽车跑多远?

星空承载梦想 2024-10-06 07:50:39
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从古至今人类都在不断的研究和探索世界的奥秘,在短短几千年的时间内,人类能够站到地球食物链的顶端,这说明人类科技发展的速度很快,人类之所以能够有如此之快的发展速度,主要是因为人类利用了地球上很多的资源,地球上的资源丰富多样主要分为以下几类:矿产资源铁、铜、铝、金、银,广泛应用于工业制造,电子设备建筑等领域,非金属矿产包括煤炭、石油、天然气等等,水资源包括海洋、河流、湖泊、地下水等,土地资源包括耕地、林地、草地等,对于人类来说,能够快速提升科技的是煤炭、石油、天然气。煤炭是重要的发电燃料,在很多国家大量的火力发电厂以煤炭为主要能源,通过燃烧煤炭产生的高温高压蒸汽,驱动汽轮机发电,煤炭发电具有成本较低,技术成熟可靠的优势,为工业生产、居民生活等提供了帮助。

在钢铁、冶金等行业,煤炭被用作还原剂和燃料。例如,在炼铁过程中,焦炭(由煤炭炼制而成)作为还原剂,将铁矿石中的铁还原出来。同时,煤炭燃烧产生的热量为工业生产中的各种高温反应提供了必要的条件。除此之外,石油对于人类的需求来说也是非常巨大的,石油经过提炼加工可得到汽油、柴油和航空煤油等燃料,为汽车、卡车、船舶、飞机等交通工具提供动力。这些交通工具在现代社会的物流运输、人员出行以及国防安全等方面起着不可或缺的作用。石油是合成塑料的主要原料,塑料广泛应用于日常生活中的包装、电器、家具、玩具等各个领域,以及工业生产中的零部件制造、管道等。在人类科技发展的过程中,它们都起到了非常重要的作用,如果没有这些能源,人类不可能有如此之快的发展速度。

不过这些能源相比于目前人类的想要实现的可控核聚变来,还差的非常远,在已知的宇宙中,氢是最轻的,也是最多的元素,其丰度达到了百分之74左右,远远超过了宇宙中的其它元素,所以这种元素当然也能够成为人类研究可控核聚变的最佳原料,氢有氕、氘和氚这三种同位素,它们的区别在于,氕原子核是一个质子,氘原子核由一个质子和一个中子构成,氚原子核则由一个质子和两个中子构成,由于氕的聚变难度相对较高,而在氘-氘、氘-氚和氚-氚这三种聚变方式之中,氘-氚核聚变释放的能量最多,也相对最容易实现,因此目前可控核聚变的研究主要是基于氘-氚核聚变的。可控核聚变的来源还要感谢太阳,我们的太阳是一颗恒星,从诞生以后就开始不断的燃烧,到现在为止太阳已经燃烧了50亿年之久。

太阳之所以能够燃烧这么长时间,就是因为内部核聚变的反应,根据科学家的研究发现,在太阳核心的温度能够达到1500万摄氏度,压力大约是3000亿个大气压,在这种环境下,氢原子核的运动速度非常快,相互碰撞的概念会大大增加,但是质子之间存在静电排斥力,正常情况下很难靠近,而在太阳核心的极端条件下,质子有机会克服这种斥力相互接近,两个质子相互碰撞之后,可能会融合在一起形成一个由两个质子组成的双质子组合,不过双质子是一种非常不稳定的结构,绝大多数的时候会衰变成两个质子,在衰变的过程中,会释放出正电子,中微子,质子转化为中子,从而形成氘核(氢的同位素)。这一步反应是整个核聚变反应的开端,也是最困难的一步,因为需要克服质子间的静电排斥力。

形成的氘核会与另一个质子发生碰撞,并融合成一个氦 - 3核。这个过程同样需要克服静电排斥力,并且由于反应产物的核子数增加,所需的温度和压力条件更高。氦 - 3核与另一个氦 - 3核碰撞,进而形成两个氦 - 4核和两个质子。氦 - 4核是稳定的,不会进一步参与核聚变反应,而释放出的质子则可以继续参与质子 - 质子链反应,形成一个循环。通过不断地重复这个循环过程,太阳内部的氢原子核逐渐转变为氦核,并释放出大量的能量。能够知道太阳核聚变反应的原因,还要感谢爱因斯坦,在此之前人类是通过普通燃烧来计算的,以太阳的体积来计算,就算是它全部都是由煤炭构成的,也只能够烧大约5000年,而爱因斯坦的质能方程式解开了这个谜题。

质能方程式彻底颠覆了经典物理学中质量和能量相互独立的概念,它表明质量和能量是等价的,是同一事物的不同表现形式,极大的拓展了人类对物质和宇宙本质的理解,质能方程式揭示了原子核内蕴含着巨大的能量,为核能的开发和利用提供了理论依据,通过核聚变和核裂变反应,人类能够将微小的质量亏损转化为巨大的能量释放出来,根据爱因斯坦提出的质能公式(E=mc^2),太阳每秒释放出的能量约为3.8乘以10的26次方焦耳,太阳每秒会损失大约420万吨质量。太阳的质量大约有2000亿亿亿吨(1.989 x 10^30千克),以每秒420万吨这样的消耗速度,46亿年的总消耗量也“只有”大约5800万亿亿吨(5.8 x 10^26千克),这就意味着,在过去的46亿年的时间里,太阳消耗的质量大概只相当于太阳当前质量的万分之3。

太阳释放出来的能量是巨大的,但是地球每秒钟接收到的能量只有22亿分之一,大家不要小看这22亿分之一的能量,它相当于地球上一百万吨煤炭燃烧的能量总和,这也是为什么人类要实现可控核聚变的原因,那么人类现在离实现可控核聚变技术还有多远呢?目前人类离可控核聚变技术还有非常遥远的道路,可控核聚变需要在极端高温高压的环境下进行,并且有效的控制和维持等离子体的稳定性,目前可控核聚变装置能够实现并维持的时间还比较短,其中一个原因就是托卡马克中的等离子体很难控制,而且容易撕裂,并逃逸出用来约束它的强大磁场,在极端的温度和中西辐射下,反应器内部的材料会快速的退化,开发出能够承受长期高温高压和强中子辐射的材料是关键挑战之一。

目前科学家还没有找到这种材料,而且可控核聚变技术需要大型的实验装置和反应堆,建设和维护这些东西都是需要大量的资金和人力投入的,目前可控核聚变技术还处于起步阶段,距离商业化应用还有一定的差距,想要让可控核聚变成为一种具有竞争力的能源,需要在提高能力输出的同时,降低成本,包括燃烧获取,装置建设等方面,有一些科学家认为,人类想要实现可控核聚变技术还需要50年左右的时间,如果说未来人类真的能够实现可控核聚变技术,对于人类的生活来说有哪些改变?从汽车的燃料来说,100克的核燃料能够让一辆汽车跑多远?我们假设这100克的核燃料全部参与核聚变,根据科学家的计算,质能转化率为百分之0.7,也就是说在这100克核燃料发生的核聚变反应过程中。

会有大约0.7克的质量以能量的形式释放出去,这个能量大约是63万以焦耳,根据不同汽车的型号来看,普通汽车的百公里油耗通常在4-11升之间,如果说我们开的这辆汽车的油耗大约是每100公里8升汽油,已知汽油的热值大约是4600万焦耳每千克,汽油的密度在0.7-0.78千克之间,汽车跑100公里需要消耗大约2.7亿焦耳的能量,平均下来就是每公里270焦耳,将100克核燃料完全聚变后,能够释放出63万亿焦耳的能量,我们将这个数值除以270万焦耳每公里,就能够得出一辆汽车跑大约2300万公里,这是什么概念呢?假如我们行驶一辆汽车,以每小时100公里的速度一直前进,需要26年的时间才能够跑完这么长的距离,相当于绕地球跑575圈。

简单来说就是,如果我们加入这100克的核燃料,这辈子都不需要再加燃料了,它足够我们用一辈子,而且它还是天然的清洁能源,光从这一点我们就能够看出可控核聚变的重要性来,除此之外,它还有很多其他的作用,和太阳能、风能相比,可控核聚变不受天气的影响,能够持续持续、稳定的能源输出,为人类的生产生活提供可靠的电力保障,化石燃料是二氧化碳的主要来源,可控核聚变能够有效的解决这个问题,一旦可控核聚变技术实现商业化,其燃料成本低廉,且运行维护成本相对较低,将使得能源价格大幅下降,降低企业的生产成本,提高产品的竞争力,促进全球经济的发展。可控核聚变能够为航天器提供强大、高效的动力,使人类能够更轻松地进行深空探测、星际旅行等活动。

例如,使用核聚变发动机的航天器可以大大缩短星际航行的时间,提高人类探索宇宙的能力。在月球、火星等天体上建立基地需要大量的能源,可控核聚变可以为太空基地提供可靠的能源供应,使得长期的太空基地建设和运营成为可能。可控核聚变技术可能会应用于军事领域,如为高能武器、新型动力装置等提供能源,增强国家的军事战略优势。总的来说,可控核聚变对人类来说好处非常多,所以如果人类能够实现可控核聚变,那么人类距离一级文明就不远了,不过想要实现可控核聚变需要一种非常特殊的能源,这种能源就是氦-3,氦-3是一种氦气同位素气体,含有2个质子和一个中子,化学符号³He,气体具有无色,无味,无臭稳定的气体。

氦-3有着许多特殊的特性。当氦-3和氦-4以一定的比例相混合后,通过稀释制冷理论上温度可以降低到无限接近绝对零度。在温度达到2.18K以下的时候,液体状态的氦-3还会出现“超流”现象,即没有黏滞性,它甚至可以从盛放它的杯子中“爬”出去。然而,当前氦-3最被人重视的特性还是它作为能源的潜力。氦-3可以和氢的同位素发生核聚变反应,但是与一般的核聚变反应不同,氦-3在聚变过程中不产生中子,所以放射性小,而且反应过程易于控制,既环保又安全。不过根据科学家的研究发现,地球上氦-3的储量并不是很多,而在月球上,氦-3的储量能够达到100万吨,这对人类实现可控核聚变来说有很重要的帮助,所以有很多科学家都希望能够在月球上开采这种资源。

不过现在人类虽然已经能够登陆月球,但也只是在月球上进行短暂的停留,想要真正的在月球上面开采氦-3这种能源,还是需要一定技术的,目前人类的科技来看,人类还没有办法在月球上开采这种资源,所以人类还需要继续努力才行,小编认为,人类作为地球上最有智慧的生命,人类的科技在不断的进步和发展,未来只要人类能够坚持不懈的努力下去,未来随着人类科技的进步和发展,人类一定能够解开这个奥秘,小编希望人类能够早日实现自己的梦想,对此,大家有什么想说的吗?

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星空承载梦想

简介:本人爱好天文,擅长写科学领域的文章