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可控核融合是解決人類能源的終極辦法嗎?

2024-07-15科學

能源問題是全人類面臨的普遍問題,當今全球面臨石油天然氣資源枯竭的難題,而且化學能源的使用造成了嚴重的空氣汙染和生態破壞。核能是人類目前所掌握的最高效的能源利用方式,利用核能制作而成的核武器能在瞬間摧毀一座城市。核能的利用方式分成核分裂和核融合,目前人類只能利用核分裂發電,這種核能利用方式的效率十分低,但也是傳統化學能利用效率的幾百萬倍。比核分裂發電更高效的是核融合發電,其發電效率是核分裂的10多倍。所以很多人認為核融合發電是解決世界能源困境的終極方法。

那麽,可控核融合技術是解決人類能源的終極辦法嗎?

答案當然是不可能,本文將從可控核融合自身缺陷和人類發展速度兩個維度來分析為什麽可控核融合不是解決人類能源問題的終極辦法。

愛因史坦在20世紀初期發現了物質和能量之間是可以相互轉化的,二者滿足質能方程式式:E=M*C^2。

根據這個公式,物質如果可以百分之一百轉化為能量就可以釋放出巨大的能量。1克物質百分之百轉化為能量可以釋放出900億J的能量

那麽核融合對物質的利用效率有多高呢?只有0.5%不到。換言之,在物質轉化為能量的全過程中,只有0.5%的物質被全部轉化為能量,剩下的99.5%的物質都被浪費掉了。

所以,核融合發電實質上是一種對物質極其低效的利用方式。在氫原子融合為氦原子的全過程中有大量的物質並沒有轉化為能量。這樣看來,宇宙中的無數顆恒星都是一座座不斷浪費絕大部份能量的能量站。

那麽存在著比核融合更加高效的能源利用方式嗎?從理論上是存在的。比如理論上正物質和反物質一旦接觸會立刻湮滅,從而將百分之百的物質轉化為能量;再比如說黑洞可以將物質以接近百分之一百的轉化為純能量,我們只需要提取黑洞蒸發後的能量就可以接近百分之一百的提取能量;又比如我們可以將物質加熱到數千萬億攝氏度,淪陷誇克並轉化為輕子,在這個過程中的利用效率也接近百分之一百。

其次,人類的發展速度可能超乎大家的想象。在歷史上人類的發展速度一直非常緩慢,直到工業革命後人類進入到工業時代才為社會發展按下了加速鍵。2023年全球GDP增速為3.1%,近三百年來全球GDP增速穩定在2%到3%。大家可能覺得每年不過增長百分之二,百分之三。但是數學上有一個名詞叫「指數爆炸」,我們怎麽理解這個詞呢?假設人類今年的GDP總量為A。每年增長2%,則函式式為:y=(1+2%)

這是一個指數函式,高中時大家應該都學過:隨著X的不斷增大,函式值Y的增長速度會越來越快,最後幾乎就像一條筆直的豎線。這個函式的影像如下所示:

在不到300年的時間裏,函式翻了近500倍。這就是為什麽大多數科學家認為人類文明將在300年內達到一級文明。同樣的道理,保持這個增長速率,在大約3076年內人類的年能耗就和太陽系總品質對應的能量相當-即使人類能夠將太陽系的能量完美到近乎百分之一百的轉化為純能量也接近極限。而且隨著時間的推移,人類的發展速度將會越來越快、所需要的能量將會越來越大,最後我們根本無法想象人類發展的極限是什麽,或許根本沒有極限。這種認為人類發展愈來愈快,最後人類前進演化為神的觀點被稱為技術奇異點論。

所以,核融合能提供的能量是遠遠不夠未來人類使用的。不過大家也不用灰心:至少我們可觀測宇宙中有上億億億顆以上的恒星可以提取能量,何況物質不過占宇宙總品質的4%,剩下的是我們還不太清楚性質的暗物質和暗能量。此外,對於宇宙的大小估計更是樂觀:普遍認為宇宙是無窮大的,即使不是無窮大的,其尺度也是十分驚人,比如有理論認為宇宙的大小為10^10^10^122百萬秒差距(其中1秒差距≈3.262光年)。這個數值已經大到難以想象了,是一個四層指數塔。

在我們的宇宙之外,更可能有無窮多平行宇宙。如霍金指出的一樣:我們的宇宙就像一個泡泡漂浮在超空間中,周圍還有無窮多的泡泡宇宙,每個泡泡都以細絲或蟲洞相連,每個宇宙在內部都是極其巨大甚至是無窮大的。

無論從核融合對能源利用方式存在的自身局限,還是人類自身發展速度兩個維度來看,可控核融合都絕對不是能源利用方式的終點,我們要有這個信心。2008年以來全球經濟陷入低迷期,但這兩年人類似乎在科技領域取得一系列重大突破:從馬斯克的星艦發射成功到美國核融合點火實驗成功,再到chatGPT4.0分布,再到輝達釋出新芯片。相信人類將在本世紀迎來真正意義上的第三次工業革命,關鍵需要我們有一批馬斯克、黃仁勛、比爾蓋茲、賈伯斯這樣的企業家。

下面這張圖是各種方式將物質轉化為能源的不同效率對比,分別是燒煤、燃燒石油、核分裂、使用戴森球、核融合、自旋黑洞引擎、在類星體周圍建造一個戴森球、誇克引擎、黑洞蒸發、反物質湮滅等。筆者將分別介紹每種方式的原理、工程難度和利用效率,最後統一放在【能源】這個專題內。