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可控核聚变不能实现,就无法进行星际航行?其实这是两码事

有人认为,核聚变是解决人类文明升级的一个坎,可控核聚变开发成功了,人类就能够走向星际旅行,文明就提升了一个档次。

这种说法有其合理之处,但又有点似是而非。因为这种说法混淆了两个不同问题的界限,把两件事合并成一件事来说了。其实具体来说,可控核聚变是一码事,而人类走向深空又是一码事。

可控核聚变与传统能源之间的比较优势人类自从在动物中脱颖而出,成为智慧物种以来,文明进程都是伴随着能源的利用方式改变而进步的。人类一路走来,先后经历了柴火能源的使用、石化燃料的利用、电能利用、核能利用等阶段,人类文明也从原始时代,发展到农耕时代、机器工业时代、自动化时代、信息时代。

而这些所有用过的能源,都与核聚变的优势无法比拟。根据爱因斯坦的质能方程理论,物质的质量与能量是一个等价关系,如果质量能够全部转化为能量,这个能量就是非常巨大的。但要将质量转化为能量条件十分苛刻,核能就是通过质能转化方式取得的能量。

质能方程的表达式为:E=MC^2。这里的E表示能量,M表示任意物质的质量,C表示真空光速。

如果按照这个方程计算,每1kg(千克或公斤)的物质转化为能量可得到9*10^16J(焦耳)的能量,相当250亿度电。如果将传统能源燃烧得到的能量:木柴约1.2×10^7J/kg,原煤约2.1*10^7J/kg,石油原油约4.2*10^7J/kg,按照质能方程来折算,其质能转化率约为:木柴0.000000013%,原煤0.000000023%,原油0.000000047%。

核裂变得到的质能转化率约0.1%,也就是约木柴的770万倍,原煤的435万倍,石油的213万倍。而核聚变的质能转化率约为0.7%,是核裂变的7倍,同样1公斤原料得到的效能就比核裂变增加了7倍,这样质能转化率就是是木柴的5390万倍,原煤的3045万倍,石油的1491万倍。

更具优势的是,核聚变原料在地球上可以说相当长时期取之不尽,用之不竭。其主要原料是氢(主要是氢的同位素氘或氚),而自然界的水就是氢氧化合物,只要把水中的氘和氚分离出来就可以作为核聚变燃料。

经测算,每一升海水里就含有0.03克氘,提炼出来作为核聚变燃料发电得到的能量相当300升汽油。而全球总储水量有136亿亿吨,氘的储量就有40万亿吨之多,就相当于1.2亿亿吨石油的储量。

据一些机构预测,全球石油储量还有9000亿吨左右,每年开采50亿吨,还可以用180年。但问题是石油的污染,主要是碳排放对环境的影响日益严重,现在的温室效应日益显现,如果不加以改变和逆转,人类很可能熬不过这个世纪末。

而水中蕴含的核聚变燃料储量就相当全世界石油储量的44000倍。更重要的是核聚变还有一个优势,就是相对化学燃料和核裂变能源,完全是无污染的清洁能源,既不会产生放射性污染,也不会产生二氧化碳等温室气体。

由此,实现可控核聚变,是目前人类文明发展最好的选择。

核聚变在航天领域的巨大优势可控核聚变只要极少的燃料,就能够制造出巨大的能量,因此是人类能源利用的一个重大进步。如果有了成熟的可控核聚变技术,作为未来深空远航的动力,对人类走向深空当然是一个利好。

现在人类的飞船所需燃料,主要还是化学推进剂,发射的所需用量很大。如上世纪的土星五号,起飞质量达到3040吨,送到地月转移轨道的阿波罗飞船只有45吨,有效载荷只有发射质量约1.5%,而其中消耗的燃料就有2700多吨。

我国发射嫦娥五号的长征五号遥五运载火箭,起飞重量约870吨,进入地月转移轨道的嫦娥五号只有约8.2吨,有效载荷只达到发射质量约0.94%。即便现在最先进的马斯克星舰,起飞重量约5000吨,其中火箭燃料就需要3400吨,可以将1420~1470吨的满载星舰送到地火轨道,其有效载荷约达到起飞质量的28%!

这已经非常厉害了,但消耗的燃料还是十分巨大的,而且前往火星的星舰真正的有效载荷只有100~150吨,燃料却有1200吨。

如果采用核聚变动力,这种现象将发生颠覆性改变。核聚变的质能转换率可达到0.7%,这样1kg核聚变燃料可得到6.3*10^11KJ的能量;而1公斤常规火箭用化学燃料,如N2H4(也称联氨或无水肼)完全燃烧释放的能量(N2H4+O2=N2+2H2O)只有19412.5KJ,质能比只是核聚变的3245万分之一。

因此,如果需要加注5000吨化学燃料的火箭发射,采用核聚变燃料只需要154克。实际上还远远低于这个数量,因为化学燃料的火箭发射需要那么多的燃料,更多地是将装载的燃料同时也送上天,在送上天的过程中烧掉。

而如果采用核聚变燃料,则只需要将有效载荷送上天,根本就不需要将大量的燃料消耗在发送燃料这样一个恶性循环中,不过核聚变的反应堆可能会占有很大一部分飞船的质量。但不管怎样,火箭和飞船的质量都应该会降低很多,发射所需燃料就更少了。

这样,只要携带几公斤核聚变燃料,就可以在太空中遨游许久了。

除此之外,理论上核聚变发动机的比冲量也比化学燃料大很多。化学燃料火箭的比冲量只有250~450之间,核裂变火箭的比冲量可以达到800~1000之间,而核聚变火箭比冲量可以达到2500~20000之间。

实现可控核聚变的难度巨大实际上,核聚变的能量在上世纪人类就已经得到了,这就是氢弹爆炸。但这种能量只是一过性的,“轰”的一下就没了,只能用于战争和威慑,对人类生活一点用处都没有。人类需要的是,核聚变能够缓慢长久释放,这种核聚变就叫可控核聚变或“人造小太阳”。

之所以把可控核聚变叫做“人造小太阳”,是因为太阳就是依靠核心源源不断的核聚变,释放出巨大能量。可控核聚变就是将太阳这种核聚变方式,复制到地球上。

但太阳核聚变是在3000亿个大气压、1500万K温度环境下进行的,是由于太阳巨大质量形成的重力,将核聚变束缚在核心持续不断的进行。在地球上无法制造出3000亿个大气压,如何实现可控核聚变呢?研究发现,只能在提高温度上做文章。要激发核聚变并让其稳定不熄灭的持续进行,温度需要达到1亿℃以上。

这样,如何约束这么高的核聚变等离子体,以及如何将能量转化成可用能源,就成为科学家们要攻克的难题,为此科学家们奋斗了几十年,依然没有很好解决。这是因为,地球上,没有任何材料能够耐受1万度高温,更别说1万个1万度的1亿度了。

科学研究发现,目前理论上有三种办法可以对高温等离子体进行约束,即:重力约束,太阳这种约束形式;磁约束,就是制造一个磁力阱,将等离子体约束在磁力阱里,不要碰到任何设备;惯性约束,就是利用激光或粒子束等动力源,高速冲击装填有核聚变材料(氘或氚)的微型球状靶丸,让这个靶丸向内形成巨大压力,激发核聚变。

地球上既然无法形成数千亿个大气压的重力约束,就只能采取后面两种方式。目前各国最常用的实验设备叫托卡马克装置,这是一种磁约束装置,其核心部分就是一个人造磁阱。现在,试验已经实现了将1亿度以上高温控制在这个磁阱中,但时间还很短。

中国在2021年创造了1.2亿℃等离子体维持运行101秒,7000万℃等离子体维持运行1056秒的世界纪录。

核聚变点火和维持运行本身就需要输入很大的能量,如果能量输入大于输出就毫无价值。因此如何做到输出能量大大高于输入能量,这才是问题的关键。就在今年2月9日,欧洲联合环形实验室爆出一个好消息,将两种氢(氘和氚)积压在一起,在5秒钟内产生了59兆焦的功率。

虽然这点能量只相当约16度电,只能烧开几壶开水,但就像中国高温维持的时间记录一样,都有着十分重大的意义。核聚变专家亚瑟·特瑞尔博士作出评论:“这是一个惊人的结果,具有里程碑意义,实现了历史上核聚变反应的最大能量输出。”他认为,这个时间虽然不长,但在核时间尺度是一个非常长的时间,有了这个突破,未来的路就容易很多。

不过许多专家认为,要实现可控核聚变商业化运行,至少还需要努力30~50年。核聚变动力不是走向深空的唯一选择

核聚变发动机当然是人类未来飞出太阳系,飞向深空的理想动力选项之一,但不是唯一选项,也不是最好选项。

除了核动力,科学家们还提出了许多深空远航的动力方案,如光帆技术。著名科学家霍金在生时启动了一个“突破摄星”计划,就是采用激光轰击光帆,使之达到光速的20%(每秒6万公里),拖动一艘邮票大的探测器前往比邻星,二十几年后就可以传回比邻星照片资料。

不过这个设想难度很大,霍金去世后现在进展如何没有更多消息。

还有利用太阳帆的设想,就是利用恒星光压的作用,推动飞船飞往远方。光压虽然很小,但无需携带燃料,只要有恒星存在,就可以永远推动下去,而且会越来越快,最后达到一个很高的速度。

现在已经在航天中广泛使用的等离子推进器,其原理是先将气态工质电离,在强电场作用下将粒子加速喷出,通过反作用力推动航天器运行。这种方式的动力推力很小,但比冲量可达1000~30000,效率极高。

还有核脉冲火箭,是采用小型核爆作为推进动力的技术,比冲可达10000~1000000万,可实现光速10~12%的速度飞行。

还有无功质发动机,这是一种有别于传统需要工质(也就是燃料或电力)做功的发动机,这种发动机可以将任何形式的能量转化为机械能。但这种发动机尚在理论和实验阶段,有人认为违背动量守恒定律,还有许多争议。

能效比最大的当然就是反物质了,反物质与正物质碰到一起会湮灭,湮灭过程会爆发出质量的全部能量,是100%完美的质能转换。1kg反物质与1kg正物质(我们日常看到任何物质)湮灭,会产生2kg质量的全部被能量,这个能量是1.8*10^17J,相当于500亿度电,是核聚变能量的285.7倍。

用反物质作为燃料,比冲可达到100万~1000万。

但反物质十分难得到,且非常难保存,因为反物质一遇到正物质就湮灭了。以现在人类技术,全世界国民收入全部用于制造反物质,一年不吃不喝也做不出1微克(千分之一克)来。因此目前考虑用反物质作为深空远航的动力比梦幻还梦幻。

理论上,人类的未来还可以实现虫洞穿越和曲速航行。这两种深空远航方式都可以超越光速很多倍,又不违背光速藩篱,但需要极大的能量甚至负能量。这些技术如真能实现,人类文明将突破到一个新的阶段。

迄今为止,核聚变是除反物质之外,人类发现质能转化率最高的一种能源利用方式,但这种方式获得的质能转化率也仅仅只有0.7%,到反物质100%的完美转化之间,还有99.3%的空白,未来有新的转化方式填补这段空白吗?谁也不知道。

宇宙浩瀚无垠,人类现在了解的自然规律还很少很浅薄,肯定还有许多更深刻的规律等着人类去发掘和认识,未来的航天之路怎么走,一定还会有更多更好的选择。

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关键词: 等离子体 有效载荷 质能方程

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