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若可控核融合成為現實,世界將會變成什麽樣子?科學家給出了解釋

2024-07-09科學

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現代科學認為我們的地球誕生於46億年前,也就是太陽系誕生初期,當時太陽系還是一片巨大的分子雲,在重力的作用下開始塌縮,這片分子雲包含著豐富的氫、氦以及少量的重元素,隨著塌縮的進行,中心區域的密度和溫度不斷的升高,逐漸形成了一個原恒星,也就是太陽的雛形,在原始恒星的周圍,剩余的物質逐漸形成了一個扁平的盤狀結構,這個結構被稱為是原行星盤,在這個盤中,物質不斷的碰撞、聚集,慢慢的形成了各種大小的顆粒,較小的顆粒透過相互吸引和合並,形成了較大的天體,這就是行星前身的星子,星子之間的相互碰撞和融合進一步增大了它們的體積和品質,靠近太陽的區域,溫度會變得越來越高。只有巖石和金屬能夠保持固態,從而形成了類地行星,比如說水星、金星、地球和火星。

在太陽系的形成過程中,小行星、彗星等小天體也應運而生。它們在太陽系中穿梭,有的撞擊行星,有的則一直遊離在太陽系的邊緣。經過漫長的歲月,太陽系逐漸穩定下來,形成了我們今天所看到的有序結構。太陽作為中心,以其強大的重力掌控著各大行星、衛星、小行星和彗星的執行軌域,共同構成了這個神奇而壯觀的太陽系。根據科學家的研究我們能夠知道,太陽的品質占到了太陽系總品質的百分之99.86,剩下的八大行星和其它物質占到了太陽系總品質的百分之0.14,從占比上我們就能夠看出太陽的品質非常大,從太陽誕生以後,就一直都在源源不斷的釋放熱量,到現在太陽已經燃燒了50億年的時間,看到這裏,相信很多人都會產生一個疑問,就是太陽為什麽能夠燃燒這麽長時間?

科學家最初認為,太陽之所以能夠燃燒這麽長時間,可能是化學燃燒,任何物質的燃燒都離不開燃料,太陽自然也不會例外,科學家透過化學燃燒的方式計算了太陽的壽命,結果和事實完全不符,如果太陽是透過收縮或者化學反應燃燒來產生能量的,那麽太陽早在幾百萬年前已經燃燒殆盡了,但是到現在為止,太陽已經燃燒了50億年的時間,這說明太陽的燃燒並不是化學反應,這個謎題一直困擾著科學家,直到愛因史坦的質能方程式式出現以後,才解決這個問題,愛因史坦是近代科學界最偉大的物理學家,他除了偉大的相對論之外,還有一項影響深遠的研究,那就是質能方程式式E=mc^2,這個方程式式告訴我們任何有品質的物體都必須有等量的能量。這個方程式式極大的改變了人類對世界的理解,主要體現在以下幾個方面:

首先,它打破了傳統上對品質和能量的孤立認知。在質能方程式式出現之前,人們普遍認為品質和能量是兩個完全不同的概念。而這個方程式式表明,品質和能量實際上是等價的,可以相互轉換,這是一種全新的、深刻的統一觀點,其次,質能方程式式為核能的利用提供了理論依據。它讓人們明白,在原子核發生變化時,微小的品質損失能夠釋放出巨大的能量。這促使了核電廠的發展,為人類提供了大量的清潔能源;同時,也導致了核武器的誕生,深刻影響了國際政治格局和戰爭形態。總體來說,質能方程式式以其簡潔而深刻的形式,徹底的改變了人類對世界的理解,對現代科學和技術的發展都起到了深遠的影響。利用這個方程式式,我們能夠將太陽的內部想象成一個巨大的核能站。

根據科學家的研究得出,太陽內部有著大量的氫原子,四個氫質子融合在一起,形成了一個氦原子,在這個期間,4個質子中有一小部份品質遺失了,由於質能守恒,這些品質會轉化為巨大的能量,使得太陽放射線出的功率高達3.9*10^26瓦,核融合反應需要巨大的溫度和壓力,太陽中心的溫度和壓力為核融合反應提供了基礎,當兩個質子碰撞的時候,它們可以融合在一起形成一種由兩個質子組成、沒有中子的雙質子組合,然而,雙質子是一種極其不穩定的結構,絕大多數時候會衰變回兩個質子。不過,每隔一段時間,會有少於0.01%的雙質子經歷β+衰變,在這個衰變過程中會釋放出正電子(電子的反粒子)、微中子,並且質子會轉化為中子。

根據愛因史坦的質能方程式式 E=mc^2,可以得到核融合反應產生的能量是普通化學反應釋放的能量的2000萬倍。換句話來說的話,1千克氫原子核融合成為氦原子釋放的能量,相當於燃燒4000噸石油或6000噸煤炭釋放的能量,很顯然,核融合反應是可以釋放巨大能量,而我們的太陽也就是利用這種物理反應產生的光和熱。根據計算,太陽核心區域每秒會有6億噸的氫元素發生核融合反應,其中會有400萬噸的氫元素完全轉化為能量釋放,這個數據在我們看來實在是非常巨大的。不過對於太陽來說,實在是太過於微不足道,太陽的品質是大約地球的33萬倍,體積大約是地球的130萬倍,即使太陽已經燃燒了46億年,但太陽消耗的總品質才只有0.03%。科學家透過對太陽核融合的計算得出,我們的太陽還能夠繼續燃燒50億年的時間。

從這一點我們就能夠知道,核融合反應是一種非常強大的轉化方式,如果說人類能夠掌握這種技術,那麽人類的科技一定能夠大振幅的提升,為此科學家提出了可控核融合技術,目前科學家在可控核融合的研究上,技術層面已經非常成熟,但是難以突破的點就在材料上面,只要能夠攻克材料這道關卡,那麽可控核融合就有可能變成現實,前段時間,美國科學家宣布已經找到了新的材料,人類已經達到了突破可控核融合的臨界值,美國麻省理工學院(MIT)研究可控核融合領域的專家——丹尼斯·懷特(Dennis Whyte)表示:其研究團隊找到新的材料,不僅效能卓越,而且可以讓核融合反應堆的成本降低到原來的1/40。此舉意味著成本大振幅降低,讓可控核融合技術可以從實驗室,步入到實際套用之中。

其研究團隊已發表六篇論文在三月份的【IEEE套用超導報】中,從幾個不同的角度,論證了這種材料的可靠性,以及可控核融合套用層面的可行性。這種新型材料就是稀土鋇銅氧化物(ReBCO),與傳統的鈮合金相比,它把需要超導的溫度從4克耳文,提升到20克耳文,不僅大大降低了核融合反應堆的體積,也大大降低了核融合的成本。雖然這種材料是近期才公布的,但是他們已經經過了3年的論證,在2021年的時候,他們就利用了這種材料制作成了超磁體,並且產生了20特斯拉的強磁場,這一磁場強度也被認為是超過可控核融合的#深度好文計劃# 臨界值,從發現這種材料後,科學家就多次進行試驗,經過很多次的試驗,科學家證明了這種材料安全可靠。能夠適用於可控核融合。

雖然說人類現在已經掌握了可控核融合的基本技術,但是想要真正的實作可控核融合還需要很長的一段路,畢竟人類現在還無法實作以下幾種技術:第一點就是極高的溫度和壓力,想要是核融合發生,原子核需要在超過1億攝氏度的極高溫度下相互碰撞,以克服相互間的電子斥力,目前在地球上,科學家沒有發現任何一種材料能夠承受如此高的溫度,第二點就是電漿的不穩定性和復雜性,在高溫下,氘氚燃料會呈現出電子和原子核分離的混合狀態,即電漿態。電漿內部會產生復雜的電磁場和不穩定性,使得科學家難以準確預測其狀態並進行有效約束。盡管科學家已經找到了一些能夠在極端條件下穩定工作的材料,但是這些材料無法長期工作,所以還不能夠使用。

而且想要實作可控核融合,就必須使輸出的能量大於輸入的能量,既達到能量增益,雖然在一些實驗中已經取得了接近或者部份實作能量增益的效果,但是要大規模、永續的基礎上實作這一點還是非常困難的,可控核融合涉及到多個領域的復雜技術,包括高溫電漿的產生、加熱、約束、控制以及能量轉化等。每個環節都存在各種技術難題,需要不斷進行研究和創新來解決。而且可控核融合還需要一種特殊的原料,這種原料就是氦-3,這是一種非常稀有的元素,目前地球上的這種元素非常稀少,不過在月球上,這種元素的儲量非常豐富,未來人類還需要登陸月球去開采這種資源,現在人類已經能夠載人登陸月球,但是在月球上開采資源還無法做到,所以人類還需要繼續努力才行。

如果人類未來能夠實作可控核融合,那麽人類的科技將會大振幅的提升,對我們的生活來說,也會有非常大的改變,當可控核融合被人類完全的掌握了,那麽核能技術將會迎來一個新的革命,核能技術將會有著更為廣泛的套用,核能技術將會成為人類解決能源不夠用的利器,解決能源發展不平衡的問題。同時也為人類的未來發展提供了更大的動力,隨著技術的不斷提高,核能技術在各個領域的套用將會越來越多,它不僅會改變人們的生活,還將會改變我們的生產方式。到時候我們再也不用為能源發愁,可控核融合將提供幾乎取之不盡用之不竭的能源,相比於傳統化石燃料,可控核融合將會徹底解決能源短缺的問題,要知道,地球每秒鐘接收到的太陽能量大約只有22億分之一。

而這22億分之一的能量就相當於地球上100萬噸煤炭燃燒的能量總和,可想而知核融合的能量有多大,而且可控核融合是一個沒有汙染的能源,我們的傳統能源燃燒之後,會給環境帶來一定的破壞,比如說二氧化碳增多,廢水排放等等,而大規模的套用可控核融合能夠減少碳排放,有助於緩解全球氣候變遷,降低空氣汙染保護生態環境,改善人類的生活環境,充足的能源能夠大振幅的降低工業生產的成本,促進高能耗產業的發展和創新,比如說在科學、化工、冶金等方面,能夠有更多的發展空間和更多的能源消耗實驗,而且大量的能源還能夠用於海水淡水化等水資源的處理。使得更多的地方能夠用到淡水資源,對於人類探索宇宙來說,可控核融合能夠提供強大的飛船能源,使得人類探索宇宙的時間更長。

從總體來看,可控核融合對於人類的生活和未來的發展來說都有巨大的作用和意義,所以這也是為什麽科學家一直以來都想要發展可控核融合的原因,雖然現在人類的可控核融合技術還不是非常成熟,但是人類作為地球上最有智慧的生命,人類的科技在不斷的進步和發展,只要人類能夠堅持不懈的努力下去,未來隨著人類科技的進步,人類一定能夠徹底實作可控核融合技術,小編希望人類能夠早日實作自己的夢想,對此,大家有什麽想說的嗎?

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