可控核聚變一旦實現,地球上的氚會被用光嗎?本來就只有3.5公斤

地球上的能源終歸是有限的,科學家們一直在思考:如果有一天這些能源被人類消耗殆盡,人類還能存活下來嗎?

後來,「核聚變」理論的出現,被一致認為是解決人類能源危機的最終「聖杯」。倘若能夠實現可控核聚變,人類文明將會迎來飛躍式發展。

然而新的陰影又再次出現:「氚」是核聚變必須的原材料之一,然而地表上的氚撐死也就才幾公斤,和人們提一袋水果差不多重。

這麼少的氚,真的能成為人類「終極能源」的方向嗎?

什麼是「可控核聚變」?

可控核聚變的理論自1933年就被提出了,在1939年,美國物理學家貝特通過實驗證實此原理。

將一個加速後的氚原子核與另一個氚原子核高速碰撞,這兩個原子核會發生融合,形成一個新的原子核。而在這個融合的過程中會釋放出大量的能量,並且時間很長。這就是太陽持續45億年發光發熱的原理。

可控核聚變是一種在人工控制條件下產生的核聚變反應,利用了原子核融合的特殊性以及質量轉化為能量的原理,是一個看似簡單但十分難以控制的科學技術。

實現可控核聚變的條件也較為苛刻,一般需要在極高的溫度和壓力條件下進行,目前通過兩種方式實現——磁約束和慣性約束。

所謂「磁約束」需要一個巨變裝置,例如托卡馬克。這是一種特殊且做工複雜的裝置,是一個密閉的環形空間。

這個空間會被施加強大的磁場壓力,將高溫等離子約束在內,使其高速旋轉,發生碰撞,達到一定速度及條件後開始融合,引起核聚變。

慣性約束聚變則是通過高能激光粒子束將燃料加熱並壓縮成等離子體,簡單來說,就是人工創造的等離子。這種方法雖然可以節約能源,但只能實現短暫的聚變反應

人類研究可控核聚變的歷史算得上是較為悠久,有將近100年的歷史了。而近年來,在全球範圍內取得了較為顯著的進展。

例如,中國的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置就創造出了多項世界紀錄,實現了超高溫度的等離子運行。

這意味著中國在核聚變研究上取得了巨大的突破,所進行的可控核聚變能夠釋放出大量的能量,對能源發展提供了新的源泉。

在國際上,勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的國家點火裝置也在多次實驗中實現了「點火」狀態。也就是說,聚變反應產生的能量已經超過了輸入的能量。

這些可控核聚變實驗取得的成就,是人類自主創造大量能源的重要標誌,如果能夠有效利用這些產生出的能量,人類的生產力水平及社會運行狀態將會迎來質的飛躍,我們也有望進入新的文明。

儘管在可控核聚變的研究中,各個國家的科學工作者取得了較為卓越的成績,但要實現商業化應用依舊面臨著諸多挑戰。

例如,高溫等離子的穩定控制、輻射損傷、氚的釋放與回收等,這些問題在現階段依舊難以解決,需要儘快尋找到突破口。

有專家預計,在2035年之前就可以基本實現可控核聚變的商業發電。而一旦實現,它將變成一種清潔、安全且高效的能源形式,有望引領下一次的「工業革命」。

有限的氚儲量

閱讀上文,大家知道可控核聚變主要是需要應用氚才可以產生的。但是氚是一種極其稀缺的元素,在地球表面也只有3.5公斤左右的含量,並且分散在各處,平均每個國家擁有的數量就更為稀少了。

這樣珍貴的資源,還因為半衰期短暫,大約只有12.43年,僅能支持人類未來數十年的核聚變探索。

在這數十年的時間,人類可以完全掌握可控核聚變嗎?可夠將其高效運用嗎?可就算人類很好地掌握了可控核聚變,沒有了原材料的供應,一切又將可能歸於零。

而氚的作用極其廣泛,不光是可控核聚變的重要材料,還是氫彈的原料之一,是通過核反應製得的。

在上個世紀的核武器研究中,各個國家已經用掉了不少氚。再加上現在的核電廠中,也有氚的應用,可見氚在重大工業上佔據著舉足輕重地位。

另外,氚作為放射性標記物,還可以用於生物醫學中的示蹤劑,幫助研究人員追蹤生物體內的化學反應和過程。

可不要小看這種類似「追蹤器」的技能,它通過跟蹤身體的狀況,能夠準確將身體的信息回饋給醫學工作者,有利於他們制定出合理的治療方案,對癌症患者有莫大的幫助。

氚的β衰變還可以產生能量較低的β射線,這使得它可以用作反射性光源,在各種領域提供幫助。

由此可見,氚從全盛時期到衰弱期都對人類有著非常大的幫助,可以說是供不應求。

但是人類並沒有完全掌握氚,在科學研究中,經常有工作者因為長時間接觸氚對身體產生了不利影響,因此犧牲的人也不在少數。

現階段研究中的氚對人類來說是一把雙刃劍。不過相信隨著時間的推移和技術的進步,這種危害現象會逐步減少,最終只形成對人類有利的那面。

技術問題根本不用擔心,但是氚的含量卻是越來越少了,有什麼補救的方法嗎?

氚能「無中生有」!

儘管氚的含量十分有限,但是現階段我們暫時還不用擔心這個問題,因為目前的氚儲量足夠維持我們數十年的應用。就算某一天真的消耗殆盡,我們也有其他的補救方法。

科學家們已經找到了人工製造氚的方法,目前有兩種方式。

第一種是中子轟擊鋰-6原子核。這是由於鋰-6原子核在被較低能量的中子轟擊後,可以穩定地生成氚。

這種人工製造氚的方法相對可行且成本較低,只是由於技術的限制和研究較少不能夠進行穩定的生產和供給,相信在未來的研究中,能夠突破這道屏障,完成高效的生產。

第二種是核聚變反應中的循環使用。科學家們發現,在核聚變的反應過程中,生成的中子可以用於重新生成氚,從而實現氚的循環使用。

只是新生成的中子十分難以捕捉,即便成功捕捉到也很難將其生成氚,現階段的循環利用技術還面臨著一定的挑戰。

看來氚真的是一種十分珍貴的能源,竟然如此難以獲得,那麼自然界中的氚又是怎麼回事呢?

地球上的氚主要是由宇宙射線產生的,誕生條件極為嚴苛和特殊,再加上平均只有12.43年的半衰期,因此儲量就十分稀有了。

什麼是半衰期呢?半衰期就是該原子迎來了衰變,就像是東西到了保質期或者壽命到達了極限。這種衰變是不可逆的,人類無法挽留衰退的氚,只能在其「油盡燈枯」之時想辦法充分利用,確保其「不留遺憾」地離開。

地球上的氚儲量非常低,現階段的技術水平又難以生產出氚,這怎麼辦呢?小小困難根不能難不倒聰明的人類,科學家們又想到了去月球踩點。

月球上是有氚儲量的,雖然非常稀少,但還沒有被人工採集過,人類現有的技術也能夠將月球上的氚成功採集回來。

如果將月球上的氚全部採集回來,也足夠再支持人類數十年的工業發展了。此外,月球上還有氦-3

這是一種氚衰退後的產物,循環利用收集的氚就是這種產物。它比起全盛時期的氚能量會小得多,作用效果也會差很多,如果將其充分利用還是能夠實現不少工業上的作用,聊勝於無。

如此看來,無論是地球還是月球上的氚資源都十分有限,憑藉我們現有的技術也很難穩定生產。俗話說「車到山前必有路」,科學家們還提出了去其他星球採集氚的想法。

在數十年的航天事業發展中,人類已從多個星球採集回了樣本,包括月球、小行星彗星及太陽。

最值得一提的是,2001年美國起源號發射,採集太陽風粒子,儘管在返回艙在下降過程中有所損壞,但還是出色完成了任務,成功帶回了部分的太陽風粒子。

這項採集實驗具有重大的意義,因為太陽就是核聚變在融合過程中所形成的產物,如果能有效利用太陽能量,將會對人類可控核聚變的研究產生莫大的幫助。

其他行星、彗星的採集實驗就多不勝數了,目前的人類有能力對宇宙進行多方位的探索,將稀缺能源帶回地球,支持地球上的工業發展,造福人類,完成更高文明的跨越,我們期待著那一天的到來。

結語

一旦成功掌握可控核聚變將會對人類社會產生非常大的影響,但地球資源有限,技術又面臨瓶頸。因此,積極探索宇宙就變得十分重要,相信不久的將來會帶給人類新的驚喜。