很多大國(guó)都在尋找化石燃料的可替代清潔能源，期望著既可以告別對(duì)石油的依賴，也能告別某些地區(qū)對(duì)能源的價(jià)格壟斷，減少溫室氣體的排放的同時(shí)加快速度進(jìn)入凈零時(shí)代。因此一種新型清潔能源應(yīng)運(yùn)而生，可控核聚變的潛力備受矚目。
克服庫(kù)侖力的核聚變
可控核聚變并不是某種類似石油、天然氣的能源，而是一個(gè)將輕元素核融合為更重元素并釋放巨大能量的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，聚變反應(yīng)會(huì)在高溫和高壓環(huán)境下進(jìn)行，以克服原子核之間的強(qiáng)大電荷排斥力，并使核間距足夠接近以克服庫(kù)侖力，使得核反應(yīng)發(fā)生。
所謂的庫(kù)侖力是物理學(xué)中的一個(gè)基本概念，它主要描述了電荷之間相互作用的力量。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，庫(kù)侖力的本質(zhì)就是靜電，也就是電荷之間的相互吸引或排斥而產(chǎn)生的力。根據(jù)庫(kù)侖定律，具有相同符號(hào)的電荷之間的庫(kù)侖力是排斥力，而具有相反符號(hào)的電荷之間的庫(kù)侖力是吸引力。
而在核聚變中，庫(kù)侖力起著關(guān)鍵作用，是克服核間斥力的主要力量。原子核之間的庫(kù)侖排斥力能夠有效克服它們的靜電斥力，使得核與核之間克服核力的作用，它們靠得足夠近從而發(fā)生聚變反應(yīng)。
最常見(jiàn)的可控核聚變方法是使用類似于太陽(yáng)中的氫同位素，即氘和氚進(jìn)行聚變，因?yàn)樵诟邷丨h(huán)境下的等離子體中，氘和氚的核可以融合成氦，并釋放出巨大的能量。太陽(yáng)就在持續(xù)發(fā)生這一過(guò)程，因此才產(chǎn)生了巨大的能量和光。
可控核聚變與其他能源
包括美國(guó)在內(nèi)的很多國(guó)家都在研究可控核聚變，并且一直致力于在這一領(lǐng)域取得突破。在美國(guó)，有多個(gè)可控核聚變項(xiàng)目在進(jìn)行，其中最著名的是國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆，這是一個(gè)由多個(gè)國(guó)家共同參與的大型合作項(xiàng)目，旨在建造一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間、高溫、高能量輸出的聚變實(shí)驗(yàn)堆。
這些努力的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)、清潔、高效的能源供應(yīng)，以滿足未來(lái)能源需求，并為解決氣候變化等問(wèn)題作出貢獻(xiàn)。在能源領(lǐng)域，可控核聚變確實(shí)有很多突出的優(yōu)勢(shì)，首先，它是一種幾乎無(wú)限 的能源來(lái)源，依靠合并輕元素來(lái)釋放能量，而輕元素在地球上非常豐富。
相比之下，傳統(tǒng)能源如石油、煤炭和天然氣是有限資源，隨著時(shí)間的推移逐漸枯竭。其次，核聚變是一種極清潔的能源形式。與化石燃料燃燒產(chǎn)生的二氧化碳和其他有害氣體相比，核聚變幾乎不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體排放，它在整個(gè)過(guò)程中只釋放出水蒸氣。
最后，核聚變還具有高效能的特點(diǎn)。它的能量密度遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)能源，只需少量燃料就能釋放大量能量。這使得核聚變成為一種非常強(qiáng)大的能源選擇，可以滿足大規(guī)模能源需求，例如為城市、工業(yè)和交通提供可靠的電力。
可控核聚變?nèi)允羌埳险劚?/strong>
就像地球上其他的能源，尤其是大多數(shù)新興能源一樣，可控核聚變也面臨著很多技術(shù)難關(guān)，與其突出優(yōu)勢(shì)相對(duì)的是那些不容忽略的劣勢(shì)。正是這些技術(shù)難關(guān)讓它只能小規(guī)模實(shí)驗(yàn)和使用，很難真正投入到真實(shí)世界之中。
可控核聚變作為一種理論上非常有潛力的能源技術(shù)，首先面臨著產(chǎn)生環(huán)境的限制。高溫和高密度條件是可控核聚變過(guò)程中必不可少的，實(shí)現(xiàn)這樣的條件需要超過(guò)數(shù)百萬(wàn)度的高溫，并在等離子體中維持足夠高的密度和持續(xù)時(shí)間。
與此同時(shí)，等離子體的穩(wěn)定性也是一個(gè)問(wèn)題，等離子體是可控核聚變的關(guān)鍵組成部分，但等離子體很容易受到不穩(wěn)定性的影響，例如熱不穩(wěn)定性、磁流體不穩(wěn)定性和粒子輸運(yùn)等，這些不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致能量損失和聚變反應(yīng)中斷。
其次，可控核聚變中使用的材料需要能夠承受高溫、高輻射和高粒子流等極端環(huán)境。這些條件其實(shí)不僅對(duì)材料的耐受性提出了極高的要求，也對(duì)相關(guān)工作人員的防護(hù)設(shè)備提出了極高的要求，畢竟高輻射對(duì)人體的傷害也不容小覷。
最后，可控核聚變技術(shù)還沒(méi)有達(dá)到實(shí)用化階段的一個(gè)很大原因是其能量輸入與輸出之間的比例仍然不夠理想。大量能量用于維持等離子體和磁場(chǎng)，而實(shí)際的能量產(chǎn)出相對(duì)較低。這就涉及到了成本問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)可控核聚變的經(jīng)濟(jì)可行性面臨著很大挑戰(zhàn)。
就拿國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆舉例來(lái)說(shuō)，作為最大的可控核聚變實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，它在為核聚變未來(lái)商業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。然而根據(jù)2020年的數(shù)據(jù)，該項(xiàng)目的總成本約為2000億歐元，這包括建設(shè)、設(shè)備、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)費(fèi)用。
科學(xué)探索2024-06-24
科學(xué)探索2024-06-20
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