我们描述未来美好的生活场景时总是说——“物质非常丰富”。
什么叫物质极大丰富?就是全球60亿人,再也不用担心饥饿、寒冷了,所有的生活物资都会变得非常廉价,食物、水、动力,都不再是稀缺品。
所有一切,都来自于能源,只要能源可以无限供应。我们地球上万物生长、交通运输、传播通讯,无不需要能源,你吃的每一口食物,都来自于动植物积累的能量,那都是来自于太阳的能量。你出行的交通工具,消耗的也是化学能和电能,归根结底,石油和煤炭,也来自于亿万年前太阳光在植物身上的能量积累。你打开手机刷知乎,同样需要消耗手机电池中存储的电能。
我们想象一下,如果能源无限了,那么我们就完全可以抛开石油、煤炭等化学能了,无穷无尽的热量可以转化成无穷无尽的电能,那么我们就可以保持永恒的光照,植物就可以迅速生长,无土栽培,成本会变得极小,食物就会无穷无尽地供应,如果能源是无限的,那么工业生产、交通运输的成本也就可以降到最低,这就是“物质极大丰富”了。
更重要的是,如果能源无限,人类走出地球、星际旅行的愿望也可以实现了,我前天还在感慨,这50年来科技实际上是有所停滞的,就像《三体》中地球科技被“智子”锁死了一样,我们走不出地球,更何谈星际旅行?最大的制约,其实还是能源,如今的火箭发动机,还都是化学能的,化学能说白了就是“燃烧”,而燃烧获得的能量和动力是极其有限的,它走不远。如今的火箭原理,和一千年前的黑火药炮竹烟花,并没有本质的区别。
但是核能不一样,E=Δmc²,那是原子核层面的变化,打破了核力的束缚,一种元素变成另外一种元素,质量M的变化,带来能量E的变化,而那个C²,是光速的平方(299792.458²),你想一想,一千克的原子核质量变化,会产生多大的能量?
我们目前的核电站,就是采用的核裂变反应获取能量的技术,但核裂变有个问题,材料选取和制作非常苛刻,铀元素的存储量有限,而且具有很强的放射性,对人类危害很大。
而核聚变不同,核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核,并释放出能量的过程。不但能够提供更高的能量,而且对原料的需求更简单,就是氢元素的同位素,自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素——氘与氚的聚变,海水中平均每6420个氢中就能找到一个氘。对于我们来说,地球上的海水几乎就是无限的。更重要的是,核聚变反应相当“干净卫生”,反应完了,不会留下什么放射性物质。
太阳大家都知道吧,太阳就是一个巨大的核聚变反应堆,太阳的聚变反应,已经持续了50亿年了,源源不断给地球输送着能量,地球上每一个生物,其实都是能量的结晶。
我国的“中国太阳”——“东方超环EAST”继2017年创造了101.2秒高约束模等离子体运行的世界纪录后,2018年实现了加热功率超过10兆瓦,等离子体储能增加到300千焦;在电子回旋与低杂波协同加热下,等离子体中心电子温度达到1亿度。
这就是咱么“可控核聚变”的一小步了,可控核聚变俗称“人造太阳”,因为太阳的原理就是核聚变反应。人们认识热核聚变是从氢弹爆炸开始的。科学家们希望发明一种装置,可以有效控制“氢弹爆炸”的过程,让能量持续稳定的输出,成为人造的“太阳”。
但是这个很难实现,因为这涉及到一个很矛盾的技术原理,核聚变是需要让两个带正电的原子核撞到一起产生聚变反应,但是正常情况下,同性相斥,两个原子核会迅速弹开,走到不到一块去,只有在极度高温高压的条件下,它们才会走到一起,比如氢弹爆炸的时候,需要在氢弹的外壳先来一次核裂变的爆炸,用高温高压来产生内部物质的核聚变。
想要正常开启核聚变,你就需要有个“炉子”,这个炉子必须要有数十亿度的高温,核聚变才能乖乖听话,那么问题来了,你搞出数十亿度的高温,本身就需要很大的能量,如果最终核聚变释放出来的能量,不能超过你加热的能量,就属于赔本生意,得不偿失。更重要的是——你约束核聚变的炉子,是什么材料做的?能不能扛得住数亿度的高温?
所以,“可控核聚变”成为了当下人类最迫切攻克的技术难关,它的意义,远超什么“人工智能”。有了它,我们不但有近乎无穷无尽的能源,甚至可以打造“聚变发动机”,开启星际旅行之路。
“中国太阳”EAST形象地说,这就是我们约束核聚变的炉子,核聚变是孙悟空,EAST就是太上老君的八卦炉。
这个炉子是什么材料做的呢?其实是电磁场!要不然怎么叫做“磁约束”呢?这是一个真空室,把氘、氚放在里面,它们都是带正电的,既然是带电粒子,自然可以受磁场约束,将氘氚气体约束在EAST中加热到数亿摄氏度,然后产生核聚变反应。这一次,中国太阳中的等离子中心体电子温度达到了1亿度,这是个突破性的成就。
2006年,EAST产生20万安培等离子束,持续3秒。2007年,EAST产生50万安培等离子束,持续5秒。2010年,EAST能够产生高约束模式的离子束。2011年,在高约束模式下达成5000万开尔文运行成就。2015年,在高约束模式下产生6.4秒,100万安培的离子束。2017年,达成101.2 秒稳态长脉冲高约束等离子体运行记录。2018年,1亿开尔文等离子放电运行成就达成。
当然,这对于可控核聚变来说,也只是前进了一小步,还差得很远。但我们要知道,在这个领域,其实只剩下中国真正在搞了,中国太阳有这样的突破,已经是非常了不起的了。
一个文明的等级,在于它对能源的利用效率,原始人懂得用火,就是文明的一大进步,工业革命的时候,人们懂得用蒸汽机,内燃机,同样是伟大的进步,后来人类发现的电能、核能......我们离突破文明“叹息之墙”越来越近了。虽然有人开玩笑说,发现了核能又怎样?利用能源的方式还不是“烧开水”?确实如此,我们如今的能源利用率还比较低效,无论是蒸汽机、内燃机、还是核反应堆,本质上获得动力的方式还是烧开水。但是,我们也要眼光放长远,如果在星际航行中使用核能发动机,那么肯定不会使用烧开水的方式推进了,那必然是“辐射推进”,直接利用核能进行远航。
其实,我刚刚只说了可控核聚变的长远影响力,还没有说可控核聚变的眼前影响力,不夸张地说,如今的世界,谁真正搞定了可控核聚变,造出了“人造太阳”,谁就是地球的领袖,人类文明的希望。可控核聚变,就是屠龙刀,号令天下,莫敢不从。
为什么这么夸张呢?你思考一下,美国的霸权建立在什么之上?有人说美元,有人说军事,其实都不准确,美国的霸权其实建立在能源之上,目前地球的主力能源,还是石油,“石油美元”才是美国掌握世界运行的命脉所在。如果可控核聚变完成了,那么石油就会变得连水都不如,全世界就会换一种玩法。
当然,我不会如此狭隘,我更希望,这样的技术突破,可以让人类物质极大丰富,实现共产主义,可以让人类完成聚变发动机,走向星辰大海。