10月9日,吉尼斯世界紀錄網站發佈了一個公告,來自美國田納西州,現年15歲的傑克遜·奧斯瓦爾特,成為有史以來最年輕的,製造出核聚變反應堆的個人(製造出核聚變堆時離13歲還有幾天,審核了2年)!
對於核聚變我們並不陌生,一直以來都聽到核聚變的新聞,開始研究到現在都已經過去半個多世紀了,連幾十個國家湊一起的國際熱核聚變反應堆,從2007年10月開搞以來都過去十幾年了,居然還沒成功,被一個小學生完敗,這是什麼原因?
核聚變説簡單了就是太陽發光發熱的原理,這個事情曾經連科學家都搞不明白,以前還以為太陽是燒煤的,但很顯然用黑體輻射一算,這煤也不夠燒那麼久啊!最初解決這個問題的思路還是愛丁頓提出的,他認為太陽可能是輕核聚變中獲得能量,儘管提出了具體的過程,但還有一個非常麻煩的問題無法解決!
愛丁頓
因為科學家們通過光譜發現,太陽上最多的元素是氫,但氫有三種同位素,分別是氕氘氚,比例最高的是氕,幾乎就100%,氘還是有一丟丟,而氚幾乎就不存在,因此太陽內核正在產生的反應,必定是氕氕反應開始的!
但氕氕反應要吸收能量,而太陽的大小與質量不足以讓氕氕反應,這讓科學家尷尬了,但太陽就在那裏!後來這個問題被伽莫夫解決了,因為量子隧穿效應讓氕氕在不太滿足的條件下仍然可以反應!從而解決了太陽發光最關鍵的第一步!
核聚變真就是太陽發光原理嗎?
核聚變程序於1932年由澳洲科學家馬克·奧利芬特發現的,1927年他在劍橋大學卡文迪許實驗室工作期間用粒子加速器轟擊氘核(D,重氫)產生氚(T,超重氫),成為世界上第一次核聚變實驗!這裏的兩種物質,氘和氚很關鍵,它是未來氫彈和核聚變堆中最關鍵的燃料!
氕氕氫同為素中比例最高的,但它聚變要求極其變態,連太陽內部也是每十億個質子相遇才有一個機會聚變成氘,然後在於氕氘聚變成氦三,但以人類的條件,連氕氘聚變也無法實現,只能退而求其次,搞氘氚聚變,這個相對容易一些!
氘氚核聚變
核聚變堆有什麼要求?
原理我們搞明白了,那麼核聚變堆怎麼來實現呢?一般核聚變堆主要有兩種路子,一個是前蘇聯在1968年搞出來的磁約束託卡馬克結構形的核聚變裝置,另一種則是激光點火的慣性約束核聚變裝置,我們一一來簡單介紹:
磁約束核聚變裝置
將高温的等氘氚離子體(導電)在約束在磁場中,然後對這些高温等離子體持續加熱,使其中的氘氚原子核發生聚變釋放出巨大的熱量,説起來非常輕巧,但實際操作難度極高,因為高温等離子體不聽話,第二則是加熱方式,對等離子體怎麼加熱?第三則是第一壁的材料!
被磁場約束的等離子體有數千萬到上億度的高温,在磁場中等離子體運動極其複雜,內部電流高達千萬安培,扭曲模、磁島以及磁面撕裂等問題非常嚴重,如果失控最好的結果是熄火,最壞甚至可能爆炸!而計算機根本難以預測,所以儘量保持得更久,可以將其加熱到更高的聚變温度,就成了重中之重!
另外懸浮在空中如何加熱?一般有歐姆加熱和中性粒子流加熱兩種方式,前者會隨着等離子温度升高效率下降,後者用庫倫碰撞原理將能量傳遞給氘氚離子,還有則是波加熱方式,都存在一些難以克服的問題。
還有就是氘氚核聚變時會產生中子,會讓內壁防熱傳熱材料變性,原理是原子核吸收多箇中子後,會衰變,變成元素序號+1或者更高序號的元素,簡單的説就是變成別的元素了,這材料還是耗材,經常得換,價格還很高。另外為了實現這些變態的條件,比如超導材料製造的線圈這些都比黃金還貴,所以玩核聚變堆,還不是一般人所能燒得起的!
超導線圈安裝
另一種磁約束裝置是仿星器,其不規則的磁場容易產生磁感應強度週期性振盪,這會導致它的約束性能下降,面臨的問題和託卡馬克不一樣,但一樣很難解決!
則是慣性約束核聚變裝置
這個原理就更簡單了,用極光轟擊氘氚燃料小球,讓其發生聚變反應!但問題是需要上百束激光,而且加熱後效率迅速下降,難以保持聚變,另外還有這個燃料小球怎麼快速更換?如何將這些能量引出來?慣性約束在搞的不多,不過它在作為星際航行發動機上有比磁約束更優秀的條件。
説了那麼多廢話,不就是為了説一個字“難”嗎?為什麼人家美國小學生都實現核聚變堆了,而全世界的科學家搞了都快半個多世紀了,連個屁都沒放出來?
美國小學生的核聚變到底是什麼鬼?
“我已經能夠利用電來加速氘的兩個原子,因此它們融合成3氦原子並釋放出中子,該中子可用來加熱水並打開蒸汽機,從而產生電能。 ”,來自田納西州的孟菲斯市奧斯瓦爾特如是説。
奧斯瓦爾特展示吉尼斯證書
聽上去非常高大上,確實也實現了核聚變,但充其量只能算是一種中子發生器!在上文中奧斯瓦爾特也説錯了,核聚變並不是利用中子來燒水,中子很難利用,不過可以讓鋰變成氚,從而實現核聚變堆的自持氚燃料提供!
氚的製造
這種核聚變堆有一個學名,叫做“靜電場約束型核聚變裝置”,它的原理和磁約束託卡馬克或者仿星器原理差的就遠了,它的結構是一個真空狀態的大球,四周是電極,中間的金屬網格小球帶有高壓靜電,氘粒子導入後會在靜電場加速下發生碰撞,最後發生聚變反應!反應過程如下:
D + D → T + p (釋放4.03MeV能量)
D + D → 3He + n (釋放3.27MeV能量)
兩種都可能發生,為什麼不用(氘)D+T(氚),這個更容易!但其實氚很難獲得,價格極高,不是一般人所能玩得起的,幸虧它可以讓聚變中的中子轟擊離產生,要不然聚變堆我們也玩不起!
那麼D+D也就是氘氘反應也可以啊,為什麼那麼簡單的聚變反應堆不製造,要去搞什麼超高難度的託卡馬克和仿星器或者慣性約束聚變呢?原因很簡單,因為這種靜電場約束型核聚變裝置就是大玩具,它的Q值極差,也就是輸入的能量和輸出的能量別説1:1達不到,連1000:1都沒有,作為發電站,總不能輸入一千瓦時,輸出只有一瓦時吧,這虧本生意誰做啊?
全世界頂尖科學家正在努力的ITER,Q值也僅僅值達到10,也就是輸入1份能量,輸出10份,看起來不錯了吧,不過它並不能持續,而且這個比例距離商用還遠得很!而在2030年即將建成的CFETR(中國)Q值能達到25以上!
核聚變路線圖
但是距離商用還有很長的路要走,順利的情況下大約在2050年可以建成PFPP的核聚變原型堆,看到本文的大部分應該還能活着看見哈!
靜電場約束型核聚變裝置
所以這就是個毫無用處的聚變裝置,但也不能如此定義,一個小學生能獨立完成如此實驗,那動手能力絕對槓槓滴,當然我們也不相信都是他個人所為,拼爹還是必須的,但主要思想和實驗主導由他完成也已經很了不起了!
我們恭喜他,但請勿盲目崇拜,畢竟這距離真正的核聚變還有一光年距離!
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