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可控核聚變不能實現,就無法進行星際航行?其實這是兩碼事
2022/02/16
2022/02/16

有人認為,核聚變是解決人類文明升級的一個坎,可控核聚變開發成功了,人類就能夠走向星際旅行,文明就提升了一個檔次。

這種說法有其合理之處,但又有點似是而非。因為這種說法混淆了兩個不同問題的界限,把兩件事合併成一件事來說了。其實具體來說,可控核聚變是一碼事,而人類走向深空又是一碼事。

實現可控核聚變的難度巨大

實際上,核聚變的能量在上世紀人類就已經得到了,這就是氫彈爆炸。但這種能量只是一過性的,「轟」的一下就沒了,只能用于戰爭和威懾,對人類生活一點用處都沒有。人類需要的是,核聚變能夠緩慢長久釋放,這種核聚變就叫可控核聚變或「人造小太陽」。

之所以把可控核聚變叫做「人造小太陽」,是因為太陽就是依靠核心源源不斷的核聚變,釋放出巨大能量。可控核聚變就是將太陽這種核聚變方式,復製到地球上。

但太陽核聚變是在3000億個大氣壓、1500萬K溫度環境下進行的,是由于太陽巨大質量形成的重力,將核聚變束縛在核心持續不斷的進行。在地球上無法製造出3000億個大氣壓,如何實現可控核聚變呢?研究發現,只能在提高溫度上做文章。要激發核聚變並讓其穩定不熄滅的持續進行,溫度需要達到1億℃以上。

這樣,如何約束這麼高的核聚變等離子體,以及如何將能量轉化成可用能源,就成為科學家們要攻克的難題,為此科學家們奮鬥了幾十年,依然沒有很好解決。這是因為,地球上,沒有任何材料能夠耐受1萬度高溫,更別說1萬個1萬度的1億度了。

科學研究發現,目前理論上有三種辦法可以對高溫等離子體進行約束,即:重力約束,太陽這種約束形式;磁約束,就是製造一個磁力阱,將等離子體約束在磁力阱裡,不要碰到任何設備;慣性約束,就是利用鐳射或粒子束等動力源,高速衝擊裝填有核聚變材料(氘或氚)的微型球狀靶丸,讓這個靶丸向內形成巨大壓力,激發核聚變。

地球上既然無法形成數千億個大氣壓的重力約束,就只能採取後面兩種方式。目前各國最常用的實驗設備叫托卡馬克裝置,這是一種磁約束裝置,其核心部分就是一個人造磁阱。現在,試驗已經實現了將1億度以上高溫控制在這個磁阱中,但時間還很短。

中國在2021年創造了1.2億℃等離子體維持運行101秒,7000萬℃等離子體維持運行1056秒的世界紀錄。

核聚變點火和維持運行本身就需要輸入很大的能量,如果能量輸入大于輸出就毫無價值。因此如何做到輸出能量大大高于輸入能量,這才是問題的關鍵。就在今年2月9日,歐洲聯合環形實驗室爆出一個好消息,將兩種氫(氘和氚)積壓在一起,在5秒鐘內產生了59兆焦的功率。

雖然這點能量只相當約16度電,只能燒開幾壺開水,但就像中國高溫維持的時間記錄一樣,都有著十分重大的意義。核聚變專家亞瑟·特瑞爾博士作出評論:「這是一個驚人的結果,具有里程碑意義,實現了歷史上核聚變反應的最大能量輸出。」他認為,這個時間雖然不長,但在核時間尺度是一個非常長的時間,有了這個突破,未來的路就容易很多。

不過許多專家認為,要實現可控核聚變商業化運行,至少還需要努力30~50年。

核聚變動力不是走向深空的唯一選擇

核聚變發動機當然是人類未來飛出太陽系,飛向深空的理想動力選項之一,但不是唯一選項,也不是最好選項。

除了核動力,科學家們還提出了許多深空遠航的動力方案,如光帆技術。著名科學家霍金在生時啟動了一個「突破攝星」計畫,就是採用鐳射轟擊光帆,使之達到光速的20%(每秒6萬公里),拖動一艘郵票大的探測器前往比鄰星,二十幾年後就可以傳回比鄰星照片資料。

不過這個設想難度很大,霍金去世後現在進展如何沒有更多消息。

還有利用太陽帆的設想,就是利用恒星光壓的作用,推動飛船飛往遠方。光壓雖然很小,但無需攜帶燃料,只要有恒星存在,就可以永遠推動下去,而且會越來越快,最後達到一個很高的速度。

現在已經在航太中廣泛使用的等離子推進器,其原理是先將氣態工質電離,在強電場作用下將粒子加速噴出,通過反作用力推動航天器運行。這種方式的動力推力很小,但比衝量可達1000~30000,效率極高。

還有核脈衝火箭,是採用小型核爆作為推進動力的技術,比沖可達10000~1000000萬,可實現光速10~12%的速度飛行。

還有無功質發動機,這是一種有別于傳統需要工質(也就是燃料或電力)做功的發動機,這種發動機可以將任何形式的能量轉化為機械能。但這種發動機尚在理論和實驗階段,有人認為違背動量守恆定律,還有許多爭議。

能效比最大的當然就是反物質了,反物質與正物質碰到一起會湮滅,湮滅過程會爆發出質量的全部能量,是100%完美的質能轉換。1kg反物質與1kg正物質(我們日常看到任何物質)湮滅,會產生2kg質量的全部能量,這個能量是1.8*10^17J,相當于500億度電,是核聚變能量的285.7倍。

用反物質作為燃料,比沖可達到100萬~1000萬。

但反物質十分難得到,且非常難保存,因為反物質一遇到正物質就湮滅了。以現在人類技術,全世界國民收入全部用于制造反物質,一年不吃不喝也做不出1微克(千分之一克)來。因此目前考慮用反物質作為深空遠航的動力比夢幻還夢幻。

理論上,人類的未來還可以實現蟲洞穿越和曲速航行。這兩種深空遠航方式都可以超越光速很多倍,又不違背光速藩籬,但需要極大的能量甚至負能量。這些技術如真能實現,人類文明將突破到一個新的階段。

迄今為止,核聚變是除反物質之外,人類發現質能轉化率最高的一種能源利用方式,但這種方式獲得的質能轉化率也僅僅只有0.7%,到反物質100%的完美轉化之間,還有99.3%的空白,未來有新的轉化方式填補這段空白嗎?誰也不知道。

宇宙浩瀚無垠,人類現在了解的自然規律還很少很淺薄,肯定還有許多更深刻的規律等著人類去發掘和認識,未來的航太之路怎麼走,一定還會有更多更好的選擇。

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