正如这个系列的序言所言，笔者认为世界观才是架空文学的基石。......
2024-11-11 27
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
来源：互联网
2024-11-10 22:14:22 版权归原作者所有，如有侵权，请联系我们
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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