核聚變發電，並不會價格便宜清潔無害，50年內實現幾乎成悖論
分類＼科學時間＼2020-01-06
人類社會的進步發展，離不開能源的支持。尤其是在進入工業化生產之後，文明提升，對能源的需求更加的迫在眉睫。
1905年，愛因斯坦的狹義相對論問世，它奠定了整個現代物理學的基礎。在此基礎上，推導出質能轉換方程E=MC^2。物質的質量和能量是當量關係，質量和能量可以互相轉化。物質以質量虧損的物理方式釋放能量。
物質與物質之間相互作用，釋放能量的過程有2種形式:化學與物理。
化學能是在分子層面用改變化學鍵的方式釋放能量，原子空間結構沒有發生改變，比如燃燒。
物理能是徹底改變原子結構和性質釋放能量的過程。燃燒一噸煤釋放的化學能只相當於0.028毫克物質轉換釋放的物理能。這量級差距就是天文數字。
通過改變原子核的方式進行質能轉換來釋放能量，也是人類未來新能源的方向。大家現在都知道核的意思了。
題外話:整個核反應過程中，只是千分之七的質量轉換成能量被釋放。人類已知質能轉化率最高的是核聚變0.7%，核裂變是0.135%，宇宙最高階轉化率是正反物質湮滅100%。人類的科技樹正越過核裂變幾乎夠到了核聚變，再向上，茫然四顧。這就是我們在宇宙的地位，科技樹生長的高度。
人類獲取核能的方式有兩種:核裂變與核聚變。
核裂變是用中子轟擊質量非常大的原子核，比如鈾，鈽等，讓原子分裂成2個或者更多質量較小的原子核，這個過程有部分質量會損失而轉化成能量釋放。核電站，原子彈等已知的一切核應用，使用的都是核裂變技術。
人類對核裂變技術掌握的相對成熟。但是鈾，鈽等原材料儲量稀少，價格昂貴，已探明的礦藏只夠使用幾百年。並且會產生大量長期的輻射和核廢料。
這些乏燃料具有極高的放射性和沾染能力。接觸過的反應堆材料，手套，工具等都會被輻射活化而變成危險品。乏燃料中很多放射性元素半衰期都是數萬年，最長達到210萬年。
核廢料的處理是世界性的難題。美國是直接打包封裝深埋極深地下等待將來技術提升。目前法國擁有世界上規模最大，工藝最成熟先進的乏燃料處理循環能力，不但滿足本國需要，也同時為日本，西班牙，瑞典等國提供服務。我想這收費標準，應該極貴。印度在50年代就開始研究後處理技術，現在處於世界先進水平。目前只有英法俄印具有核廢料後期處理能力。但是都不能徹底解決，不能處理的殘餘物和廢液也要深埋地下。
核聚變是在一定的高溫高壓下，質量很輕的2個原子核聚合生成一個重原子核，在這核融合的過程中發生的質量衰減伴隨著能量的釋放。與核裂變的過程相反。
太陽持續燃燒就是在核心不停的發生著熱核氫聚變。任何恆星，都是以核聚變的形式，發光發熱。氫彈爆炸是不可控核聚變，它是瞬間釋放巨大的能量。人類需要的是緩慢釋放能量的過程，這就是可控核聚變。
可控核聚變按照參與反應的輕元素不同分為三種
第一代:氚-氘核聚變 燃料充足 產生大量中子
第二代:氚-氦3核聚變 產生少量中子
第三代:氦3-氦3核聚變 完全沒有中子 終極核聚變
正確了解第一代核聚變的優缺點
可控核聚變商業化發電，大多數研究機構預計在30-50年之間可以實現。樂觀學者估計在2045年即可成為現實。通常談論的核聚變，都是指第一代氚氘熱核反應。這是相對來說技術難度最小，最容易實現的一種。
最激進的國家是韓國，進度表表示2030年要建成核聚變電站。
氘元素地球蘊藏極豐富。海水中就包含了45億噸氘。氚在自然界不存在，需要通過鋰發生作用產生。而鋰在地球的儲量很豐富。如果人類一直保持現在的能源消耗比，可以說核聚變的確可以支持人類百億年的需求，是取之不盡的能源。
但是價格絕對不可能如某些美好憧憬的描述是極其便宜，近乎免費。水電風電資源成本是零，有便宜過嗎?
氘自海水中提取無論是重水電解還是結晶，蒸餾，反滲透等辦法，都成本存在過程複雜。這需要基礎科學之一的化學獲得爆發性突破才能大規模產業化。
而氚，只能人工通過核反應獲得。半衰期只有12.43年，目前只有美國保持著30公斤的氚。只有無邊的國力，才能無懼半衰期讓它的儲量維持在一個常量。當前一公斤氚市場價格3千萬美元，並且燃料價格僅僅是部分成本。大家要趕緊賺錢，不然將來石油枯竭後代連手機充電都充不起。
第一代核聚變，也絕對不是宣傳中的無輻射，無污染的清潔能源。氚原子參與反應會釋放大量的中子，這些中子攜帶極高能量以伽馬射線和阿爾法射線的形式高速運動。穿透力極強，對運行的聚變反應堆的第一壁有著極高的要求。預計中子劑量超過100dpa,而裂變反應堆的的劑量在1dpa。
同時第一壁的材料在高能中子的無盡撞擊下，組成材料的原子核也會和中子發生核反應。稱作「中子嬗變」。最開始實驗是使用金屬鉬作為第一壁的材料，發現嬗變後的輻射無法處理，現在逐步換成了金屬鎢。
反應堆第一壁長期受中子輻射活化影響，原本沒有放射性的物質都會被轉換成放射性同位素。所有可以被轉換的一切材料都附帶放射性輻射。建材，水泥，管線等等。但是如果一味的考慮屏蔽而不考慮導熱性，也不行。原子核變化釋放的能量大部分正是這些中子攜帶。第一壁的任務就是在3千度的溫度中把中子的熱能導出轉化。目前，人類還不曾擁有這樣的材料。這需要作為應用科學的材料學在物理，化學，冶金等各方面獲得突破。
第一壁的材料，在無數14MeV能量的中子的衝擊下，材料晶格可以很輕易被擊碎，引起脆化，蠕變，失效等問題，這導致第一壁變成耗材，需要頻繁更換，這個價格也同樣是天文數字，按照現有技術，建設一個「托卡馬克」核聚變反應堆，需要幾千億美元。而第一壁占了很大比重，成本飆升。頻繁更換的材料，同樣是個輻射污染源。
優點和便捷在於能量強勁輸出不絕，後期處理廢料比核裂變要方便快捷許多上，相對於核裂變廢料長達幾萬，幾十萬年的輻射半衰期，它的輻射半衰期在百年左右。相對容易處理很多。
既然選擇2個原子合併成一個原子的方式來進行核聚變，氫是最輕的元素，而氫的同位素很多，為什麼一定要選擇用氚元素導致副作用呢?無他，技術限制。
氘-氘聚變，燃料便宜，中子數量只有氘-氚聚變的一半，但是點火溫度太過苛刻，大約是氘-氚的6倍。到了第二代的氘-氦3聚變中子數量很少，輸出能量遠高於第一代聚變，但是點火溫度高於氘-氚聚變10倍。而最低的氘-氚聚變點火溫度在持續保持在4億度之上。
到了技術發展到第二代核聚變時候，原料用氦3替代了氚，中子數量將極大減少，那麼我們的核聚變新能源，才真正向清潔能源邁出了第一步。
而到了第三代，氦3-氦3核聚變，才是真正的清潔能源，完全沒有輻射。也是科學人的夢想，稱為終極核聚變。
隨想:隨著科學的進步，會有一天，石頭，也會是燃料，現在它們是碳元素，重元素，點燃他們需要比4億度高N倍的溫度。但是肯定會有那麼一天，人類可以挖石頭直接丟爐子裡去燒，宇宙萬物，皆可以燒，只要溫度夠，全都可以轉化成能量。呵呵
可控核聚變的升級和演化
太陽在壽命末期氫燃燒完畢氫聚變結束後，熱流體靜力平衡被打破，向內塌陷至壓力大到點燃了氦聚變的時候，太陽核心溫度會急劇升高變成一個紅巨星。內部熱能將把太陽表面變大膨脹到地球的軌道附近。在科學還不能控制的時候，氦聚變就是個魔鬼，失控將會毀滅一切。我們需要耐心的等待科學。
太陽永不停歇的氫聚變生成了氦3，伴隨著太陽風暴向宇宙吹拂。唯獨地球的大氣層和磁場起到了屏障的作用，無法沉積，目前地球已知的儲量是500千克。
在太陽系沒有大氣層的星球上，50億年的太陽風不斷地向月球，水星等存儲著氦3元素。它們氦3的儲量非常豐富，最富饒的是海王星。這是太陽風暴和宇宙輻射留給未來人類的禮物。真正的清潔能源，10噸氦3，可以滿足我國一年的能源需求。
月球探明確定的儲量是一百萬噸。這顆地球的唯一的衛星，存放著核聚變的終極答案。能源的亟待需求，讓登陸月球成為了各工業強國爭先恐後的科學行動。
美國2019年宣布重返月球，它的目的也不是科學考察和樹立國威，而是氦3。美國在核聚變領域的研發和實驗成果處於世界第一的位置。為的就是控制資源，搶占先機。包括日本，中國，印度，法國，義大利，法國，以色列等國都陸續發射了探月衛星來獲取信息資料。
寫給未來
這是21世紀的宇宙大航海時代，地理大發現時代，月球上的土地，是新的美洲大陸，誰占領誰就掌控了腳下新能源資源的話語權。沒有參與的玩家，只能處於能源食物鏈的底層。
有一部科幻電影《月球》，描述的就是在月球採集氦3定期送回地球的故事，將來恐怕要從故事變成現實了。
在空間法還沒有出現之前，在國際法還沒有覆蓋外層空間的時候，實力，才是利益的真正維護者，大氣層外的廣漠空間，還是叢林法則。優勝劣汰是永遠心照不宣的生存之道。
占領了月球，強國自然會向火星，水星延伸勢力，建立採礦基地，誰先到，誰擁有。不斷擴大自己的優勢，拓展民族生存空間。後石油時代，太空優勢一旦確立，後發國家因為技術落後，資源匱乏不可能再追趕上一個技術先發，能源絕對充沛的強大國家，將會永遠落後受制於他國。
在科技不斷發展的未來，行星殖民地，星際貨運飛船，乃至太空領土將成為必然發展趨勢。
將來有一天，如果我們中華民族的後代用上了月球氦3能源，這持之以恆延綿不絕的澎湃能源背後，不要忘了一代代默默無聞的先輩付出。 |
