时空通讯
探索奇妙的世界,愿与您一起同行。

文明升级能源需求巨大,核聚变并非终极选择,未来出路在哪里?

原创
原创

核聚变是人类目前正在开发的优质新能源之一,如果推上商业运用,将完全缓解现阶段的能源危机,将人类文明推上一个新阶段。于是,有人认为,核聚变能源的利用,是人类未来文明升级,走向深空的唯一出路。

这就值得商榷了。我认为,核聚变只是人类目前正在开发的一种高效能源,是人类迄今为止认识的质能转换率最高的能源,但并不一定是未来人类最高级的能源。为什么这么说呢?这就要从爱因斯坦的质能方程说起。

质能方程

质能方程是爱因斯坦最伟大的发现和贡献之一,它揭示了质量与能量的当量等价以及互换关系,让人类对物质质量所蕴含的能量有了突破性认识。它告诉人类,只要有本事将物质质量全部转化成能量,能量就会取之不尽用之不竭。

质能方程有一个复杂的推导过程,最终得到一个十分简洁的表达式,就是E=MC^2。这个公式的意思是,能量E与质量M乘以光速C的平方是等价的,而且是可以互换的,只要人类有本事将物质质量全部转化为能量,这个能量就惊人的巨大。

质能的等价转换是相互的,也就是说质量既可转化为能量,能量也可转化为质量。但这种转化又是很难很难的,需要特别苛刻的条件,主要是需要巨大能量或者极高压力,而且能量转化为质量则更难。宇宙诞生那一刻,在无以伦比的压力和高温下,宇宙从大爆炸那一刻的纯能量,渐渐生成了各种元素和物质,才成就了我们的世界。

很小质量的物质可以转化出巨大能量,因此如果反转,则巨大能量才能够转化出很小质量。根据质能方程计算,1kg质量的物质,全部转化为可得到9*10^16J(焦耳)能量,每度电能相当3600000J,每吨炸药相当4814000000J,因此1kg物质全部转化成能量相当250亿度电能,2151万吨炸药。

等价对等转换,能量转化为质量,就是250亿度电能的能量,才能够转化出1kg质量,或者2500万度电的电能,才能够转化出1g质量。

现在已知的是,实现100%质能转化率,也就是物质质量全部转化为能量的途径只有一个,就是正物质和反物质碰撞湮灭。但我们世界反物质极少,而且捕捉和保存都十分困难,因此要取得这种完美质能转化还只能是个梦想。

人类过去的能源利用主要是通过对木柴或煤炭石油的燃烧,这种能源利用方式不是质能转换,而主要是通过化学反应的方式,质能转换在其中极其微量。如果按照质能方程计算,这种转化率极低。如1kg煤通过燃烧能得到约3000万J的能量,质能转化率只达到3*10^-10,也就是300亿分之一。

核能利用和可控核聚变开发现状

现在人类取得最大质能转换率的是核能。核裂变的质能转化率约0.1%,核聚变的质能转换率约0.7%,也就是1kg核燃料,这两种方式可以分别转化出1g和7g质量的能量。这比过去烧煤强多了,效能分别提升了300多万倍和2300多万倍。

原子弹爆炸和氢弹爆炸是核能不可控的瞬间释放,虽然只有0.1~0.7%的质能释放,却这么惊人,比普通炸药厉害多了,可见质量转化为能量的威力。现在人类已经掌握了核裂变的可控释放,这样就可以利用核能造福人类了,如核电站等。

但核裂变一是污染风险大,二是质能转化率远远没有核聚变高,三是原材料储量和开发比核聚变差远了。因此,开发出可控核聚变,是人类已经追求了几十年的重大目标。但迄今为止,核聚变还只是停留在氢弹“轰”的一下不可控阶段,可控缓慢释放能量的核聚变利用还在试验中。有专家预测,大概还需要30年左右,可控核聚变才有可能推上商业运用。

现在世界各国,尤其是发达国家,都在下大力气攻关可控核聚变,但进展一直都很缓慢。经过几十年的努力,现在人类已经能够通过实验装置,已经实现了将核聚变的超高温等离子体约束在装置内,并从开始的能量输入大于输出实现了输出大于输入。在这方面,中国走在了世界前列,中科院合肥研究院的全超导托卡马克装置进行的实验,创造了1.2亿度状态下稳定运行101秒的记录。

即便是世界前列,也才101秒,可见未来的路还有多艰难,还有多长。

可控核聚变实现的难点

所谓可控核聚变俗称人造小太阳。这种叫法引起过许多人的误解,以为所谓“人造小太阳”就是造出一个外观像太阳,放射出耀眼光芒的球体。其实不是这样,之所以叫做“人造小太阳”,是因为核聚变的内在运行机制是模仿太阳核心的氢核聚变。

太阳之所以源源不断地发出光和热,就是中心一直在不停进行着氢核聚变,每秒钟有420万吨的质量转化为巨大能量,以电磁辐射的方式释放到太空,我们地球也能够分得一杯羹,这杯羹是太阳总能量的22亿分之一。

可控核聚变的最大难点就是实现对高温等离子体的控制,这种控制一是要约束住它,不让其到处乱跑;二是要能维持源源不断的聚变反应。要实现这个目标,首先就要解决容器问题,用什么容器和方法能够盛装核聚变的高温等离子体。

太阳核聚变是在3000亿个大气压强和1500万度高温下,几十亿年来持续不断进行的。而人类在地球上无法得到这么高的压力,就只能从温度提升上做文章。

因此在地球环境下要实现可控核聚变,让这个聚变源源不断的进行,核聚变等离子体的温度就要达到1亿度以上。从目前的技术来看,人类制造出1亿度高温已经不成问题,但问题是这团亿度高温之火用什么容器来装住让它不要乱跑呢?

我们地球所有的材料没有能够耐受1亿度高温的。已知熔点最高的物质是铪合金,熔点可达4215℃;其次是单质碳,熔点在3500℃以上;熔点最高的单质金属是钨,熔点为3410℃。由此可见,地球物质耐高温的能力太弱了,连1万度都耐不了,别说耐1万个1万度的1亿度了。

不管用何种物质做核聚变装置的内胆,都无法装住核聚变的火焰。当然这只是常人的眼光,科学家可不是常人,他们熟知并能应用几百年来的科学发现和发明,找到了束缚核聚变高温等离子体这匹野马的方法,而且还不止一种。

这就是磁约束、重力约束、惯性约束。太阳就是依靠重力约束,巨大质量的压力,将核聚变控制在核心进行;而地球没有这么大的重力,人类也没有能力制造这么巨大的压力,只能采取其他约束 办法。

现在普遍采用的是磁约束,就是通过制造一个磁场,将核聚变的等离子体中带电粒子约束在装置中心,不让它接触内壁和任何零部件,这种装置主要有托卡马克和仿星器装置。

这样,核聚变反应就能够控制在容器中进行了。但理论与实践是有距离的,当前需要解决的是能够约束和持续稳定运行多久的问题,能够转化出多大的能量的问题。

可控核聚变前景

为什么人类对可控核聚变这么重视和期待呢?主要是因为有两大无可比拟的优势:一是核聚变所需原料储量充足,二是核聚变是一个最清洁环保的能源,几乎没有任何污染。因此如果核聚变成为人类的主要能源后,什么碳排放等发展与破坏难以解决的矛盾就都不是事了。

现在核聚变采用的原料主要是重氢,就是氢的同位素氘和氚,这种原料在海水中储量丰富,1升海水就含有0.03g的氘,这一点点氘通过核聚变释放的能量相当300升汽油,而全球海水中储存的氘就有45万亿吨,相当4.5*10^19吨汽油燃烧释放的能量。

世界石油总储量只有约2500亿吨,海水中氘的储量所能转化能量是石油储量的1.8亿倍。现在1年使用中开采量约50亿吨,现有储量只能开采50年,而用氘替代可用9亿年。

而且,除了海水,地球其他资源中也还富含氘和氚。未来,人们还可以到月球上采集氦-3矿藏,氦-3是比氘和氚更进一步更优质的核聚变材料,月球上储量丰富,可以供人类使用1万年。因此,可控核聚变成功推上商业化运用,人类将抛弃长期悬挂在头顶的能源危机帽子,轻装上阵。

未来,可控核聚变可广泛用于发电、运输、航空、航天,将会推动人类文明的升级。有人认为,核聚变利用将是人类进入核能时代和宇宙一级文明的标志,到了那时,只要携带很少的核燃料,就可以深空航行,飞得更快更远。

但核聚变不是人类能源开发利用的终点

从前面说的来看,核聚变可以让人类文明提升到一级水平。所谓一级文明水平,根据卡尔达舍夫宇宙三级文明理论,是宇宙最低一级文明,也叫做母星文明。作为人类,达到一级文明,就是能够完全掌控地球了。

一些科学家认为,人类文明现在还处于0.73级左右的阶段,要实现一级文明,还需要奋斗200年,而可控核聚变能源的利用,就是要达到一级文明的前提条件。

卡尔达舍夫三级文明理论认为,文明升级的主要度标是能量的使用量。现在人类能量使用总量约2*10^13W/s(瓦/秒),达到一级文明需要使用的能量要达到1.74*10^17W/s,还需要增加8700倍。0.73级到1级还相差0.27级,也就是27个0.01点,8700倍开27次方,我们可以计算出每升级0.01级文明,能量需求增长约1.4倍。

而要达到二级文明,还相差1.27级,也就是127个0.01,根据1.4倍的127次方计算,人类要达到二级文明,能量使用总量还需要增加3万多亿倍。从这样庞大的能量增长天文数字,我们可以看出,仅靠核聚变能量来获得升到文明二级的能量只是杯水车薪,是远远不够的。

那么人类未来能源的出路在哪里呢?

出路有很多,就是寻找新的能源,最终的目标就是最大限度获取太阳能源。我们知道,太阳每秒钟有420万吨的质量转化为能量,根据质能方程就是每秒钟释放出3.78*10^26W/s能量,地球可以从这些能量中接受到22亿分之一,就是1.74*10^17W/s。

其实这就是一级文明和二级文明的能量度标,也就是达到一级文明,消耗的能量要达到地球接受太阳总能量;达到二级文明,消耗的能量相当太阳辐射总能量。因此,核聚变能源利用只能够让人类升级到一级文明,而要达到二级文明,就是把地球全部榨干了,也无法满足这种能量需求。

那么未来的能量来自哪里呢?我想首先是人类通过对自然规律更深层次的认识,在质能转换效率上有更大突破。人类现在质能转换获得的最大效率是核聚变,只占到质能转化率的0.7%,而反物质湮灭可以实现质量100%的能量转化。

那么在这0.7%到100%中间还有99.3%的质能转化率,人们还没有找到任何转换方法,未来有没有可能取得重大突破呢?如果能够达到2%以上,甚至50%以上的质能转化利用率,那能源利用的前景就更广阔了。

但人类最终的能量来源还是要依靠我们的母恒星~太阳,如果能够把太阳源源不断的辐射收集起来,别让它浪费了,就能够得到实现二级文明的能量了。

戴森球是人类在太阳系的最终能源

戴森球理论是上世纪60年代,美国著名物理学家,爱因斯坦曾经的助手弗里曼·戴森提出来的。这个理论的主要内容是任何文明发展到一定阶段,都必须建设一个巨大的球状壳体,将自己母恒星包裹起来,让恒星巨大能量全部为文明发展所用。这是宇宙一切文明升为二级的必由之路,也是人类文明升级的必由之路。

科学家们经过计算,人类建造的戴森球半径应该在地球轨道左右,也就是以太阳为中心,制造一个半径约1.5亿千米的球体,将太阳包裹起来。科学家们经过测算,要建设一个这么巨大的球体,需要拆解整个太阳系所有的行星,甚至连尘埃气体也不放过,这个壳体的厚度还只有几十厘米。

未来的人类将再也没有地球,而是寄居在戴森球壳体附属的太空城中,并且依赖汲取太阳的巨大能量,不断飞往深空进行星际移民。

这个伟大的构想在许多人看来,实在很是荒唐,有些像痴人说梦。但许多科学家相信,这将是人类在太阳系的最后时光最终出路,而且有的科学家对这种工程进行了可行性研究,认为完全可行。现在科学界一般认为,人类要达到一级文明还需要200年,要达到二级文明还需要5000年。

过去,有过很多当时认为是天方夜谭的事情,过了一些年就成为很普通的现实。就如早几十年,人们连做梦都想不到手机会成为人人必备,可以与地球任何地方的人们视频聊天已经成为常态。因此在未来几百年,甚至几千年,人类做成戴森球有什么稀奇的呢?我坚信这一点,而且只有太阳巨大能量,才是人类最终走出太阳系最可靠的来源。

今天就说到这,最近关于质能方程和能量的事情已经说了很多,可能本文有些并没有细讲,朋友们如果要深入了解,可以查阅一下前面发的问答和文章。欢迎讨论,感谢阅读。

时空通讯原创版权,侵权抄袭是不道德的行为,敬请理解合作。

评论
宇宙微观
举人级
现在人类能量使用总量约2*10^13W/s(瓦/秒),达到了0.73级。
02.17
xmx祥
贡士级
核聚变能源的利用是人类未来文明升级,走向深空的谁唯一出路。
02.12
唐崎
秀才级
卡尔达舍夫三级文明理论认为,文明升级的主要度标是能量的使用量。现在人类能量使用总量约2*10^13W/s(瓦/秒),达到一级文明需要使用的能量要达到1.74*10^17W/s,还需要增加8700倍。0.73级到1级还相差0.27级,也就是27个0.01点,8700倍开27次方,我们可以计算出每升级0.01级文明,能量需求增长约1.4倍。
01.08