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19倍音速的“大炮”轰出核聚变!比传统方法更简单,还便宜很多

19倍音速的“大炮”轰出核聚变!比传统方法更简单,还便宜很多

找工作到底是能力重要还是学历重要?

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2024 考研北大软微会「爆炸」吗?

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从人类文明的发展历程可以看到,随着科技水平的不断提升,人类的能量消耗量也在持续增高,可以预见的是,在不太遥远的未来,人类现在所广泛使用的化石燃料就将不足以支撑日益增长的能量需求,而人类文明想要继续发展,就需要开发出比化石燃料更好的能量来源。

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人类对化石燃料的使用,其实就是利用化学反应来释放出化石燃料中的化学能,从微观角度来讲,化学能只不过是原子的外层电子所蕴含的能量,而比化学能更加强大的能量,其实是蕴含在原子核之中,我们通常把这种能量称为核能。

我们人类已经初步掌握了可控核裂变技术,铀-235则是一种常见的核燃料,在理想情况下,如果1千克铀-235全部完成核裂变,将会释放出大约8.2 x 10^13焦耳的能量,这大概相当于2798吨标准煤完全燃烧所释放出的总能量,核能的强大由此可见一斑。

然而核裂变并不是人类未来的理想能源,除了高放射性核废料难以处理之外,地球上的核裂变原料储量本身也不多。那人类未来的理想能源是什么呢?答案就是可控核聚变。

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实际上,核聚变释放出的能量比核裂变更加强大,在理想情况下,氘氚核聚变的质能转换率比以铀-235为原料的核裂变提高了大约518.5%,除此之外,核聚变与核裂变相比,还具有原料充足、安全可靠、无环境污染等等优势。

核聚变的原料在宇宙中广泛存在,可以说只要掌握了可控核聚变,人类就相当于拥有了几乎无限的强大能源,正因为如此,世界上的很多科学家都在致力于研究如何实现可控核聚变。2022年4月初,一家名为“First Light Fusion”的公司给我们带来了可控核聚变的新进展。

“First Light Fusion”是由牛津大学分离出来的一家公司,主要致力于可控核聚变的研究,此次新进展可以简单地总结为:用19倍音速的“大炮”轰出核聚变!据悉这种方法比传统方法(磁约束和激光约束)更简单,还便宜很多。

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上图这个大约22米长的“大炮”重约25吨,被称为“Big Friendly Gun”,它其实是一种大型二级超高速枪,其作用就是向轰击目标发射速度高达6.5公里/秒的“弹丸”,大约就是19倍音速,而弹丸的轰击目标可称为“靶弹”,它的核心部分则是一个几毫米大小的燃料舱。

当高速飞行的“弹丸”击中“靶弹”之后,“靶弹”的燃料舱将会在极短的时间内被压缩到小于100微米的大小,并在一瞬间产生高达10TPa的压强以及上亿摄氏度的温度,进而促使舱内的核聚变燃料发生核聚变。

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那么如何利用核聚变产生的能量呢?研究人员表示,可以通过液态锂来吸收核聚变产生的能量,在吸收了能量之后,液态锂的温度就会升高,通过热交换装置,就可以利用高温的液态锂来“烧开水”了。

需要说明的是,之所以选择锂,是因为锂可以吸收核聚变产生的高能中子,并与之反应生成氚,进而实现氚的自持(氚是可控核聚变中所需的重要原料,但在地球上丰度极低)。

是的,这种核聚变装置的原理就是这么简单,研究人员将其称为“弹丸核聚变”(Projectile fusion),下面我们再来看看“First Light Fusion”设想的核聚变反应堆概念模型。

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首先,“靶弹”会被送到装置的上方,在“靶弹”被释放之后,它会在重力的作用下向反应室坠落。

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紧接着,就是“Big Friendly Gun”从装置的顶部向下发射“弹丸”,通过精确控制,速度极高的“弹丸”就可以在“靶弹”刚好掉到反应室中心的时候轰击“靶弹”,于是“弹丸核聚变”就被点燃了,在此之后,核聚变释放的能量则由反应室中流动的液态锂吸收,并最终通过“烧开水”的方式得到利用。

根据相关人员的介绍,该反应堆平均每30秒就可以完成一次上述过程,相对于可控核聚变的传统方法,“弹丸核聚变”更简单,还便宜很多,其成本大概只有传统方法的千分之一。

就目前的情况来看,“First Light Fusion”正在快速推进他们的“增益实验”(即输出反应堆的能量大于输入反应堆的能量),并计划在2030年左右开发一个试点反应堆。

届时的人类真的可以实现可控核聚变吗?让我们拭目以待吧。


好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。

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