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无尽能源之路的曲折:TA注册失败或无前景的受控核聚变

浏览次数:    时间:2017-09-26

 受控核聚变被认为是解决人类未来能源问题的最有效途径——长远来看,或许是唯一拥有有较远前景的途径。世界上一些强国都有相应的研究,更有类似ITER这样雄心勃勃的国际合作计划。

经历了几十年的理论研究与实验、实践,人类明白,在人类文明的这个阶段,要想实现受控核聚变的商业能源,只有托卡马克为代表的磁约束和高能激光惯性约束两条路可以走。

 

无尽能源之路的曲折:TA注册失败或无前景的受控核聚变

 

本人在这里不准备讨论这两条道路的理论和实践问题,只是要介绍一些不能用作能源的聚变手段或者装置,和一些被认为异想天开干脆不能实现聚变(这些东西都曾经引起学界甚至舆论的广泛关注)的途径。

静电聚变器

事实上,我不知道该怎么准确命名它们好,姑且就用这个名字。这是一类利用电场实现聚变的装置。

此类聚变装置首先要构建一个不错的真空环境,在其中设置可以耐受极高电压的电极。再将氘注入其中,部分碰到正电极的氘原子会被电离,剥离了电子的原子核则会在高压电场的作用下快速运动,当偶尔碰上其它的原子核的时候就可能会发生聚变。

这类装置依据电极的设计不同可以有不同的形态。比如一个效率稍微高一些的装置可以这样:正极做成球面,里面是更小的负电极球面。负电极球面要有能让氘原子核通过的孔洞。如此被电离并被加速的氘原子核都会向整个装置的球心前进,彼此间就可能会相撞甚至发生聚变反应。

 

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这类装置曾经有很多人实现过,其中很多是美国的中学生。一个比较近的例子是2006年17岁的Thiago OLson制造了一个聚变装置,该装置每秒能产生20万个中子。

这类装置可以实现聚变,但通过其获得的能量永远也达不到向其输入的能量,因为能参与聚变的氘只占被电离加速的氘的极小部分。这类装置中有些或者可以做成一个有商业价值的中子源,但要依靠它们获得我们梦想中的无尽能源是没有任何可能的。

红外激光聚变

在激光惯性约束聚变装置中,人类都尽量使用波长较短的激光。因为波长较长的激光更容易加热电子,而受控核聚变更需要的是大量高温快速运动的原子核。

但是,有人反其道而行之也实现了核聚变。

物理学家迪特迈耶(Tod Ditmire)向一个真空室中注入几滴氘,然后用一个廉价的红外激光器照射它们。激光加热了电子,氘液滴瞬间被蒸发掉,氘原子被四散抛射(其中部分氘原子已经被电离),在这个小规模爆炸造成的四散抛射中可能会有氘原子核相互碰撞而发生聚变。

每次激光发射,迪特迈耶都可以获得大于1200个中子。而他使用的红外激光器发射的能量只有几个瓦特,这堪称是一个很容易实现的聚变。但此种聚变产生的能量不足其注入能量的千万分之一。

μ子催化聚变

μ子是一种亚原子粒子,其特性与电子十分类似,但其质量是电子的200多倍。μ子可以像电子一样被质子俘获,形成μ子氢原子。μ子氢原子比正常的电子氢原子更重、更小。当两个μ子氢原子相撞的时候,这两个原子核就会比通常情况下靠近得多,就有更大的可能撞击并且聚合。

μ子催化核聚变是一种常温下即可进行的核聚变。实际上,人类最初于1956年在气泡室里发现这种反应现象时,气泡室里面的温度是接近绝对零度的。此种反应若能从工业上实现必然会成为人类未来能源的福音。特别是,如果人类能够有办法用μ子来替换氢中的电子,并获得满满一罐子稳定的μ子氢原子的话。要知道,μ子氢原子半径只有电子氢原子的约1/200,其液态或者固态的密度应该可以有普通氢的8百万倍!每升应该有5、6百吨重!

 

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但问题是,μ子很难获得。目前条件下人们需要建设粒子加速器,消耗大量能量来获得μ子,而且这种生产的效率很低。即使我们找到一种生产μ子的有效方法,此种粒子的寿命也只有几微秒。如果科学家把一束μ子射入一片氢云中,恰好能引发聚合反应,但μ子有可能会被俘获在新的氦原子中,在衰变前就再无用处了。即便生产效率再高,生产μ子需要的能量也无法通过这一次的聚变填补亏空。但如果μ子能摆脱原子的束缚,在衰变前能诱发几百次的聚合,那就完全可以实现正的能量输出。

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