從人類文明的發(fā)展歷程可以看到，隨著科技水平的不斷提升，人類的能量消耗量也在持續(xù)增高，可以預(yù)見的是，在不太遙遠(yuǎn)的未來，人類現(xiàn)在所廣泛使用的化石燃料就將不足以支撐日益增長的能量需求，而人類文明想要繼續(xù)發(fā)展，就需要開發(fā)出比化石燃料更好的能量來源。
人類對化石燃料的使用，其實(shí)就是利用化學(xué)反應(yīng)來釋放出化石燃料中的化學(xué)能，從微觀角度來講，化學(xué)能只不過是原子的外層電子所蘊(yùn)含的能量，而比化學(xué)能更加強(qiáng)大的能量，其實(shí)是蘊(yùn)含在原子核之中，我們通常把這種能量稱為核能。
我們?nèi)祟愐呀?jīng)初步掌握了可控核裂變技術(shù)，鈾-235則是一種常見的核燃料，在理想情況下，如果1千克鈾-235全部完成核裂變，將會釋放出大約8.2 x 10^13焦耳的能量，這大概相當(dāng)于2798噸標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒所釋放出的總能量，核能的強(qiáng)大由此可見一斑。
然而核裂變并不是人類未來的理想能源，除了高放射性核廢料難以處理之外，地球上的核裂變原料儲量本身也不多。那人類未來的理想能源是什么呢？答案就是可控核聚變。
實(shí)際上，核聚變釋放出的能量比核裂變更加強(qiáng)大，在理想情況下，氘氚核聚變的質(zhì)能轉(zhuǎn)換率比以鈾-235為原料的核裂變提高了大約518.5%，除此之外，核聚變與核裂變相比，還具有原料充足、安全可靠、無環(huán)境污染等等優(yōu)勢。
核聚變的原料在宇宙中廣泛存在，可以說只要掌握了可控核聚變，人類就相當(dāng)于擁有了幾乎無限的強(qiáng)大能源，正因?yàn)槿绱?，世界上的很多科學(xué)家都在致力于研究如何實(shí)現(xiàn)可控核聚變。2022年4月初，一家名為“First Light Fusion”的公司給我們帶來了可控核聚變的新進(jìn)展。
“First Light Fusion”是由牛津大學(xué)分離出來的一家公司，主要致力于可控核聚變的研究，此次新進(jìn)展可以簡單地總結(jié)為：用19倍音速的“大炮”轟出核聚變！據(jù)悉這種方法比傳統(tǒng)方法（磁約束和激光約束）更簡單，還便宜很多。
上圖這個(gè)大約22米長的“大炮”重約25噸，被稱為“Big Friendly Gun”，它其實(shí)是一種大型二級超高速槍，其作用就是向轟擊目標(biāo)發(fā)射速度高達(dá)6.5公里/秒的“彈丸”，大約就是19倍音速，而彈丸的轟擊目標(biāo)可稱為“靶彈”，它的核心部分則是一個(gè)幾毫米大小的燃料艙。
當(dāng)高速飛行的“彈丸”擊中“靶彈”之后，“靶彈”的燃料艙將會在極短的時(shí)間內(nèi)被壓縮到小于100微米的大小，并在一瞬間產(chǎn)生高達(dá)10TPa的壓強(qiáng)以及上億攝氏度的溫度，進(jìn)而促使艙內(nèi)的核聚變?nèi)剂习l(fā)生核聚變。
那么如何利用核聚變產(chǎn)生的能量呢？研究人員表示，可以通過液態(tài)鋰來吸收核聚變產(chǎn)生的能量，在吸收了能量之后，液態(tài)鋰的溫度就會升高，通過熱交換裝置，就可以利用高溫的液態(tài)鋰來“燒開水”了。
需要說明的是，之所以選擇鋰，是因?yàn)殇嚳梢晕蘸司圩儺a(chǎn)生的高能中子，并與之反應(yīng)生成氚，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氚的自持（氚是可控核聚變中所需的重要原料，但在地球上豐度極低）。
是的，這種核聚變裝置的原理就是這么簡單，研究人員將其稱為“彈丸核聚變”（Projectile fusion），下面我們再來看看“First Light Fusion”設(shè)想的核聚變反應(yīng)堆概念模型。
首先，“靶彈”會被送到裝置的上方，在“靶彈”被釋放之后，它會在重力的作用下向反應(yīng)室墜落。
緊接著，就是“Big Friendly Gun”從裝置的頂部向下發(fā)射“彈丸”，通過精確控制，速度極高的“彈丸”就可以在“靶彈”剛好掉到反應(yīng)室中心的時(shí)候轟擊“靶彈”，于是“彈丸核聚變”就被點(diǎn)燃了，在此之后，核聚變釋放的能量則由反應(yīng)室中流動的液態(tài)鋰吸收，并最終通過“燒開水”的方式得到利用。
根據(jù)相關(guān)人員的介紹，該反應(yīng)堆平均每30秒就可以完成一次上述過程，相對于可控核聚變的傳統(tǒng)方法，“彈丸核聚變”更簡單，還便宜很多，其成本大概只有傳統(tǒng)方法的千分之一。
就目前的情況來看，“First Light Fusion”正在快速推進(jìn)他們的“增益實(shí)驗(yàn)”（即輸出反應(yīng)堆的能量大于輸入反應(yīng)堆的能量），并計(jì)劃在2030年左右開發(fā)一個(gè)試點(diǎn)反應(yīng)堆。
屆時(shí)的人類真的可以實(shí)現(xiàn)可控核聚變嗎？讓我們拭目以待吧。
好了，今天我們就先講到這里，歡迎大家關(guān)注我們，我們下次再見。
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