可控核聚变能源是人类先进的能源之一,主要是对核聚变过程进行有效控制,使之能向人安全的、可持续的输出大量能量,那么在实现可控核聚变之后,100克的核燃料又能支撑汽车跑多远呢?
可以想象一下,如果100克的核燃料和一辆普通燃油车能跑多少,那这项技术就可以用在交通工具上,又能为房间取暖又能开空调,还能光明正大的开着车上路?
这对人类社会来说是一项重大进步,那么当我们把核燃料100克作为氘氚来计算。
核聚变又叫做“核热”,又被称作太阳能发电,指的是当多个轻元素的原子核碰撞到一起形成一个比较重的元素的原子核的过程,便会释放出极大的核能。
什么是可控核聚变?
核聚变是宇宙间最常见的一种自然现象,一般我们在宇宙没从较低的温度慢慢提高时,会出现大量的氢气,这些氢气以气体状态存在,其温度和压力都比较低。
所以这些氢气大部分处于悬浮状态,然而随着时间的推移,温度不断升高,压力也不断加大的时候,这些氢气会逐渐等待进入液态状态。
一开始进入液态状态中出现的是氘,由于氘的质量相对较大,因此它会堆积在比较靠下边的地方,然后会不断的发生碰撞,产生许多高能量且熔化程度还很高。
再然后,当这些高温且高能量的氘碰撞到一定程度时,它们会再相互融合成为较重的同位素—氚,于是形成等离子体。
当这些氘和氚继续碰撞发生聚变反应时,会再释放出三种产物:
一是释放出巨大的能量,二是释放出氦-4核子以及一个中子。
由于这些中子非常具有冲击性,他们可以将一些比较轻的元素原子弄碎,从而又给生产提供更多的“原料”了,所以这就为下一次聚变反应做好了准备。
所以如果我们用这种聚变反应来作为一种能源的话,就会形成一个良性循环,这同时也就是一次大爆炸产生一次巨大的热量并同时产生更多反应物,并保证下一次反应继续进行,这种过程称之为核聚变。
这种现象被称作自然现象,但是这并不能用于人造,因为自然条件与人工条件是不一样的,人造容器不能经受住自然条件下的高温高压。
为了保持聚变反应在容器内部持续发生,我们需要对这个过程进行有效控制,这样在安全情况下就能为人类输出持续的大量能量,这个核聚变技术就称作可控核聚变。
可控核聚变有两种不同的方法:一种是使用等离子体和强磁场之间产生的洛伦兹力作用力进行约束又叫做磁约束或磁封闭。
第二种方法则是通过重原子核之间产生的斥力进行约束,又叫做惯性约束或惯性封闭,一般我们认为重原子核之间是会有排斥力存在的。
这是因为重元素原子的原子核之间不是容易就发生碰撞的,大部分时间都是处于飘散状态,就算进行了碰撞,却也不一定发生融合,因为他们之间还有重元素的电子存在,所以很难重合在一点上。
如果能够设计出每次碰撞中都有一部分能够发生碰撞融合的话,那么所产生巨大的冲击波势必能够将许多原子冲向更高的熔融状态,同时带动更多其他原子融合在一起,这就是惯性约束的一种基本原则。
我们现在研究的主要方向就是氘-氚聚变,这种类型释放出的能量最多,因为它通常所需温度一般在1亿度左右,密度只是空隙中的氘和氚进行散射衰变过程。
由于热量和压力较大,它的一部分会因浓度过大而消失,这部分还会产生大量电子和许多单向刹车铷气,也会丢失一些中子,这一过程被称为自生消耗。
在这种情况下,如果以100克氘-氚为聚变燃料,它就释放出93万亿焦耳,但是通常情况下是要考虑利用率这一因素。
它需要达到多大的利用率?
如果汽车使用93万亿焦耳这个数字来计算的话,其实并不准确,这些都是通过科学研究获得的数据。
但实际上并不能100%地利用这些释放出的热量,因为还有很多因素,比如热交换系统损耗、外部环境影响甚至热能结合物质等都会影响到汽车行驶的距离。
且不说外部环境影响,就连热交换系统本身也并非100%进行热交换,所以这些无疑都在影响着汽车的实际行驶距离。
再加上外部因素,比如当遇到山路或者上下坡路段时,以及突发情况都会影响汽车行驶的距离。
另外,还有组成汽车的一些材料,比如钢铁、塑料等,会因为剧烈运动产生摩擦而发热,从而导致热能消耗等。
再加上还有一些人为因素,比如人为驾驶错误、操作不当等,都会造成一定程度上的耗费,并且有可能导致汽车发生意外等情况。
所以说,如果没有这部分影响的话,那么最终能够实现100克聚变燃烧97万亿焦耳热量释放的话,那么一辆汽车可以行驶约2300万公里。
如果能够解决那些利用问题,不论是摩擦还是温度等问题,那么汽车行驶距离更能够达到4600万公里。
第三个因素可能永远都不会影响,其一是供能制备的问题,其二则是汽车外形的问题,我们要使其效率最大化,那么体积也必须控制在最大限度。
因此可控核聚变一旦实现,它所指向的是清洁能源,是可踏实开发的新型能源,对我国产生深远影响,我国核心就是科技,而科学家们所研发的无疑就是科技发展史上的一笔光辉印记。