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可控核聚变是解决人类能源的终极办法吗?

2024-07-15科学

能源问题是全人类面临的普遍问题,当今全球面临石油天然气资源枯竭的难题,而且化学能源的使用造成了严重的空气污染和生态破坏。核能是人类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间摧毁一座城市。核能的利用方式分成核裂变和核聚变,目前人类只能利用核裂变发电,这种核能利用方式的效率十分低,但也是传统化学能利用效率的几百万倍。比核裂变发电更高效的是核聚变发电,其发电效率是核裂变的10多倍。所以很多人认为核聚变发电是解决世界能源困境的终极方法。

那么,可控核聚变技术是解决人类能源的终极办法吗?

答案当然是不可能,本文将从可控核聚变自身缺陷和人类发展速度两个维度来分析为什么可控核聚变不是解决人类能源问题的终极办法。

爱因斯坦在20世纪初期发现了物质和能量之间是可以相互转化的,二者满足质能方程式:E=M*C^2。

根据这个公式,物质如果可以百分之一百转化为能量就可以释放出巨大的能量。1克物质百分之百转化为能量可以释放出900亿J的能量

那么核聚变对物质的利用效率有多高呢?只有0.5%不到。换言之,在物质转化为能量的全过程中,只有0.5%的物质被全部转化为能量,剩下的99.5%的物质都被浪费掉了。

所以,核聚变发电实质上是一种对物质极其低效的利用方式。在氢原子聚变为氦原子的全过程中有大量的物质并没有转化为能量。这样看来,宇宙中的无数颗恒星都是一座座不断浪费绝大部分能量的能量站。

那么存在着比核聚变更加高效的能源利用方式吗?从理论上是存在的。比如理论上正物质和反物质一旦接触会立刻湮灭,从而将百分之百的物质转化为能量;再比如说黑洞可以将物质以接近百分之一百的转化为纯能量,我们只需要提取黑洞蒸发后的能量就可以接近百分之一百的提取能量;又比如我们可以将物质加热到数千万亿摄氏度,毁灭夸克并转化为轻子,在这个过程中的利用效率也接近百分之一百。

其次,人类的发展速度可能超乎大家的想象。在历史上人类的发展速度一直非常缓慢,直到工业革命后人类进入到工业时代才为社会发展按下了加速键。2023年全球GDP增速为3.1%,近三百年来全球GDP增速稳定在2%到3%。大家可能觉得每年不过增长百分之二,百分之三。但是数学上有一个名词叫「指数爆炸」,我们怎么理解这个词呢?假设人类今年的GDP总量为A。每年增长2%,则函数式为:y=(1+2%)

这是一个指数函数,高中时大家应该都学过:随着X的不断增大,函数值Y的增长速度会越来越快,最后几乎就像一条笔直的竖线。这个函数的图像如下所示:

在不到300年的时间里,函数翻了近500倍。这就是为什么大多数科学家认为人类文明将在300年内达到一级文明。同样的道理,保持这个增长速率,在大约3076年内人类的年能耗就和太阳系总质量对应的能量相当-即使人类能够将太阳系的能量完美到近乎百分之一百的转化为纯能量也接近极限。而且随着时间的推移,人类的发展速度将会越来越快、所需要的能量将会越来越大,最后我们根本无法想象人类发展的极限是什么,或许根本没有极限。这种认为人类发展愈来愈快,最后人类进化为神的观点被称为技术奇点论。

所以,核聚变能提供的能量是远远不够未来人类使用的。不过大家也不用灰心:至少我们可观测宇宙中有上亿亿亿颗以上的恒星可以提取能量,何况物质不过占宇宙总质量的4%,剩下的是我们还不太清楚性质的暗物质和暗能量。此外,对于宇宙的大小估计更是乐观:普遍认为宇宙是无穷大的,即使不是无穷大的,其尺度也是十分惊人,比如有理论认为宇宙的大小为10^10^10^122百万秒差距(其中1秒差距≈3.262光年)。这个数值已经大到难以想象了,是一个四层指数塔。

在我们的宇宙之外,更可能有无穷多平行宇宙。如霍金指出的一样:我们的宇宙就像一个泡泡漂浮在超空间中,周围还有无穷多的泡泡宇宙,每个泡泡都以细丝或虫洞相连,每个宇宙在内部都是极其巨大甚至是无穷大的。

无论从核聚变对能源利用方式存在的自身局限,还是人类自身发展速度两个维度来看,可控核聚变都绝对不是能源利用方式的终点,我们要有这个信心。2008年以来全球经济陷入低迷期,但这两年人类似乎在科技领域取得一系列重大突破:从马斯克的星舰发射成功到美国核聚变点火实验成功,再到chatGPT4.0分布,再到英伟达发布新芯片。相信人类将在本世纪迎来真正意义上的第三次工业革命,关键需要我们有一批马斯克、黄仁勋、比尔盖茨、乔布斯这样的企业家。

下面这张图是各种方式将物质转化为能源的不同效率对比,分别是烧煤、燃烧石油、核裂变、使用戴森球、核聚变、自旋黑洞引擎、在类星体周围建造一个戴森球、夸克引擎、黑洞蒸发、反物质湮灭等。笔者将分别介绍每种方式的原理、工程难度和利用效率,最后统一放在【能源】这个专题内。