【腦洞系列】鋼鐵俠那種小型核聚變裝置,人類何時才能製造出來?

薛定諤的貓 2021/08/07 檢舉 我要評論
 

哇!真的第一次見哎,知識不會,衹是姿勢不對;科學凡此種種,用人話講才能聽懂

文/天空之城團隊

 

能量是我們人類的生存與發展的基礎,看上去人類的能量來源似乎多種多樣,比如說煤、石油、天然氣、水力、風力、太陽能、核電等等,但歸根結底,除了核電之外,人類所需的所有能量其實都來自太陽,包括我們人類從食物中獲取的能量也是如此。

平均每一秒,地球從太陽接收到的輻射能量就有大約1.73 x 10^17瓦,太陽一年傳遞給地球的能量之和,就相當於人類迄今為止已探明的化石燃料、鈾礦等不可再生資源所產生的總能量的大約兩倍,而實際上,地球只接收得到太陽總能量的20億分之1左右。

太陽如此強大的能量,其實是來自於其核心的核聚變反應,正因為如此,可控核聚變也成為了人類夢寐以求的終極能源。雖然人類目前對這方面的研究還處於初級階段,但在一些科幻作品早已出現了成熟的可控核聚變裝置,其中最具代表性的應該就是鋼鐵俠了。

眾所周知,鋼鐵俠擁有一個小型核聚變裝置,目測直徑不超過10公分,根據相關介紹,該裝置每秒鐘能輸出高達30億焦耳的能量,從而為鋼鐵俠的神通廣大打下了堅實的基礎。

鋼鐵俠那種小型核聚變裝置,人類何時才能製造出來呢?

人類何時才能製造出鋼鐵俠那種小型核聚變裝置?對此我們似乎可以認為,在人類目前研究的可控核聚變裝置技術成熟之後,再將其小型化,就可以製造出鋼鐵俠那種小型核聚變裝置了,但實際情況卻並非如此,為什麼呢?且看以下分析。

核聚變的原理其實很簡單,那就是想辦法將質量較輕的原子核「捏」在一起,使之聚變成質量較重的原子核(在這個過程中會有少量的質量會直接轉化成能量)。

道理很簡單,做起來就難了,畢竟我們並沒有能夠「捏」住原子核的「手」,當然了,太陽也沒有,那太陽是怎麼進行核聚變的呢?答案就是高溫和高壓,高溫能夠使原子核的動能更高,高壓則能使原子核更加密集,當達到一定程度時,就可以點燃核聚變。

人類目前正在研究的可控核聚變裝置採用的正是太陽的這種機制,當裝置運行時,其中的等離子體溫度可達上億攝氏度,如此的高溫是任何已知的材料都無法承受的,因此人們只能用強大的磁場對其加以束縛,而強大的磁場又需要超導材料,超導材料又需要超低溫。

(圖為ITER托卡馬克聚變堆)

一方面要保持裝置內側的超高溫,一方面又要保持裝置外側的超低溫,其中難度可想而知,所以這種裝置的體積也就很大,想要將其縮小成鋼鐵俠那種直徑不超過10公分小型核聚變裝置,根本就是不可能的事。

也就是說,鋼鐵俠的小型核聚變裝置只能在常溫(或者溫度不太高)的情況下點燃核聚變,而這也被稱為「冷核聚變」。

在過去的日子裡,還真的有人提出過冷核聚變,例如南安普敦大學的化學系教授馬丁·弗萊西曼(Martin Fleischmann)和猶他大學的化學系主任斯坦利·龐斯(Stanley Pons)就在1989年公開宣稱,他們在利用金屬鈀來電解重水的實驗中,觀測到了冷核聚變的現象。

鈀(Pd)是46號元素,單質為金屬,其原子晶格的基本結構如上圖所示,弗萊西曼和龐斯認為,在用鈀來電解重水的過程中,重水電解後生成的氘就會在電流的驅動下被大量地「塞」進金屬鈀的原子晶格中,從而發生核聚變反應。

遺憾的是,在後續的大量重複實驗中,研究人員均未觀測到可以確定的冷核聚變現象,因此弗萊西曼和龐斯的研究並沒有得到科學界的認可。

在此之後,陸續又有人提出多種實現冷核聚變的理論,例如在富氫環境中加熱金屬粉末、在氘氣中利用脈衝放電製造等離子體,然後讓其轟擊鈀電極等等,雖然時不時地有人聲稱在實驗中實現了冷核聚變,但是卻無一例外地拿不出令人信服的證據。

綜上所述,人類目前根本就找不到實現冷核聚變的方法,而人類目前正在研究的可控核聚變裝置的體積又無法大幅度地縮小,因此可以說,至少在可見的未來裡,人類都無法製造出鋼鐵俠那種小型核聚變裝置,它只能存在於科幻作品之中。

 

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