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内阁首辅的航空航天与历史博客

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日志

 
 

中国建氦-3帝国或主导世界能源格局  

2014-06-24 22:20:03|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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1、本文配图来源于网上,权利归原作者所有

日本外交学者网站616报道,中国目前是世界上能源消费能力最大的国家之一,而且也意识到其能源困局的现实性,因此在寻找新能源的需要牵引下可激发中国向人工可控核聚变领域发展。目前可控核聚变技术仍然没有实验成功,除了聚变堆本身的技术问题外,还有核聚变的燃料问题,氦聚变作为核聚变的一种,其备受关注,虽然该物质的地球上含量非常稀少,但不代表在其他星球上也同样稀少,距离我们最近的天体——月球就存在大量的氦3,这是潜在的氦聚变原料。

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月球上的氦-3存储量在100万吨以上,为百万吨这个数量级,氦-3帝国可统治全球能源产业

-3聚变堆比氘氚聚变前景更好一些

-3聚变堆放射性危害较低

目前大多数的核聚变堆研究都集中在将重氢或氚作为燃料,也就是氢的两种同位素氘和氚的等离子体燃料,重氢大量存在于地球上的各种水中,而氚并不存在于自然界中,只能通过中子轰击锂产生,但使用氦-3的聚变堆情况就大不一样了,氘与氦-3相互聚变反应后可形成高能质子,可以产生高效的核电,其放射性危害也可以忽略不计,因此以氦-3作为聚变燃料的反应堆具有更好的商业前景。

月球上的氦-3存储量大

但是,氦-3在地球上的含量极其稀少,也是目前核聚变堆研究过程都使用重氢或氚作为燃料的原因,虽然地球上氦-3的存储量极少,几乎到了可以忽略不计的程度,但月球上的氦-3储量是非常丰富的,由于月球上缺少大气,基本上可以认为月球是真空环境,因此在太阳风的冲击下月球氦-3充满了近月面层,可以预见在月球表面之下氦-3的存储量是非常庞大的。如果在月球表面往下数米的土层都计算在内,那么月球上的氦-3存储量大约在100万吨以上,这些燃料显然可以支持人类文明发展对能源的要求。按照目前美国本土全年的用电量计算,只要4050吨的氦-3就够了,从中可以看出氦-3聚变堆对全球能源产业的影响是巨大的,传统的化石燃料几乎可以被列为石器时代的能源形式。

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在太阳风的冲击下月球氦-3充满了近月面层

 

人工可控核聚变是未来潜在能源形式

-3有这么多的优势并不一定意味着我们利用氦-3是板上钉钉的事儿,姑且不说如何把氦-3开采回来使用,即便是人工可控核聚变在当前仍然没有获得实质性的突破。核聚变是宇宙中最普遍的一种能量形式,太阳等恒星的能量就是来自轻核聚变,每秒可以将6.5亿吨的氢转变为氦,根据质能公式就可以很清楚知道能获得多少的能量。目前世界上所研究的氘氚核聚变反应中主要通过海水来提炼氘元素,大概1L海水中可以弄出30毫克的氘,如果按照核聚变反应的能量输入和输出等式计算,1L海水提料的通过核聚变反应释放的能量相当于300L的汽油,如果你的私家车油箱是50L,那么可以加满6次,这就是1L海水在核聚变框架下的能量输出值。如果全球的海水都拿去提料氘,那么地球上的氘含量是比较可观的,少说也有数十亿吨,未来数亿年的能源需要都可以解决。

氘氚核聚变目前仍然没有突破性进展

氘氚核聚变反应虽然看起来立足于地球,可以自产自销,不依赖“外星进口”,但氘氚核聚变堆的反应环境相当令人头疼,首先产于热核聚变的等离子体的温度非常高,按照氘氚核聚变反应的约束条件,等离子体的温度要达到2亿摄氏度,还不说其等离子体密度至少要达到每立方米十多次方的要求,仅仅是2亿摄氏度的温度可以让任何一种物质变成电离态,因此强磁场是约束这些超高温等离子体的唯一途径,这就是目前可控核聚变迟迟无法获得突破的限制性因素之一。

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一套托卡马克装置的结构主要由各种弯曲的通道构成

 

基于氦-3聚变堆的聚变技术不仅可以用来发电,还是航天器未来的理想动力

可控核聚变技术的未来应用主要为发电

聚变堆的发展起步比较迟缓,虽然上个世纪60年代就有类似的技术与探讨方案出现,但是80年代以后才将主要精力放在托卡马克装置上,一套托卡马克装置的结构主要由各种弯曲的通道构成,比如最中央也是最核心的环形约束容器就是用来约束超高温等离子体的行为,环形容器上还有垂直分布的环向场线圈,与环形约束容器上下平行的还有垂直场定位线圈,一种典型的核聚变堆在参与聚变反应的燃料温度上可以达到2亿到4亿摄氏度以上,那么如何点燃却又是一个问题,目前世界上进行核聚变的堆都向着超大功率激光点火的方向前进,激光点火的瞬间输出功率在100万亿瓦数量级以上,以国际热核试验堆为例,其总聚变功率达到500MW以上,可持续燃料时间在500秒,是世界上可控核聚变技术的示范站之一。

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典型的核聚变堆在参与聚变反应的燃料温度上可以达到2亿到4亿摄氏度以上

 -3聚变堆可作为航天器动力系统

氘氚核聚变堆虽然是目前世界上研究最为广泛的堆体,但是相比较于使用氦-3燃料的聚变堆有着一些先天上的劣势,比如氦-3聚变堆产生的高能质子可以通过磁场或者电场进行约束,质子带的是正电荷,因此在强磁场中减速性能也不错,而且这一过程也会将能量转换为电能,相比较于氘氚核聚变堆产生的高能中子,后者在能量获取形式上比氦-3聚变堆要大一些。此外,从商业化的角度上看,氦-3聚变堆的优势较大,尤其是放射性污染几乎没有,事实上氘氚核聚变堆的放射性污染已经降低到常规裂变堆的万分之一数量级,使用氦-3聚变燃料后还可以进一步降低,高反射性的废物基本上不会产生,低放射性的废物与氘氚核聚变堆相比只是后者的20%,因此氦-3聚变堆的安全性更好一些,而且不需要产氚层,在氚增殖这一块可以简化。氦-3聚变堆的核心结构主要是氦-3和氘核等离子装置,结构上比氘氚核聚变堆要小很多,输出的能量可以分成两部分形式,一种是接近80%的质子能转换为电能,另一部分是将减速器中质子能量转换为电能。氦-3聚变堆的另一个优势地位是可以作为潜在的航天器动力系统,将产生的质子流向后喷射,这样就可以作为核聚变发动机使用。

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最中央也是最核心的环形约束容器就是用来约束超高温等离子体的行为,环形容器上还有垂直分布的环向场线圈 

月球土壤中的氦-3存储量比较稳定 但开采费用非常高

-3聚变距离商业化运营仍然遥远

-3聚变堆的优点固然明显,但开采氦-3显然在地球上无法实现,目前的氦-3主要来自武器级核武计划,一年的产量也只有十多千克,如果商业化运营的氦-3聚变堆每年至少要消耗数十千克的氦-3,因此要想获得更先进、更安全的氦-3聚变堆就需要去月球开采氦-3。目前月球上的土壤分布情况已经非常清楚,从上个世纪以来,月球已经被大量探测器光顾过,整个月球表面都覆盖在岩石碎屑、天体撞击产生的熔融物质冷却形态,在近20米深度的月球土壤层中,几乎都是混合物,其中元素分布极为复杂,因为月球缺少大气环境,各种天体撞击后留下了许多元素,其中还有一些挥发性的元素,在太阳风粒子的介入下,整个月球表层都富含各种细颗粒物质和稀有气体,这就是阿波罗宇航员在脱下舱外服时闻到的火药味儿来源。

月壤中的氦-3需要分离提纯

阿波罗等计划对月球的探测结果表明,月球土壤中的氦-3存储量比较稳定,大约在数百万吨这个数量级,全世界一年的发电量只需要100吨的氦-3就能完成,因此开采月球上的氦-3是一项富有科幻色彩的潜力工程。此前已经有一些方法用于尝试开采月球上的氦-3,使用太阳光对月球土壤进行加热以提取氦-3,当然其中还有其他气体,比如氢、氮和二氧化碳等,因为月球土壤上钛含量比较丰富,提取氦-3就是基于蒸发的原理逐级提纯,自然氦-3就会从混合气体中分离出来,但是其成本可能比较昂贵,估计每千克至少在百万美元以上。

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聚变堆的研制到目前并没有出现突破性的进展

 

-3帝国可主导未来能源体系

根据中国探月工程的远期设想,月球上的氦-3是一个非常重要的潜在资源,我国在对月球进行无人探月的绕、落、回三个阶段调查中,将建立月面元素分布和丰度图,评估月球的氦-3含量。外电认为中国的嫦娥计划可被引导向建立月球氦-3燃料工厂,并建立一个像东印度公司的垄断机构以创造大量财富,如果这些设想变成现实,那很显然是一个氦-3帝国,在地球上化石燃料不断消耗的前提下,下一代能源体系的建立被认为是具有举足轻重的地位,这也是发达国家发展可控核聚变的目的之一。

 

1988版《天体化学》

Journal of Geophysical Research

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