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可控核聚變一旦實現,100克的核燃料,可以讓一輛汽車跑多遠?

2024-11-03 17:44:35

相信大家都聽說過可控核聚變是一種非常強大的能源,但這種能源具體有多強大,估計大家就沒有清晰的概念了。為了更直觀地瞭解可控核聚變有多強大,我們不妨來探討一個具體的例子:可控核聚變一旦實現,100克的核燃料,可以讓一輛汽車跑多遠?

簡單來講,核聚變就是指較輕的原子核結合成較重的原子核這樣一個過程,而可控核聚變,則是指對核聚變過程進行有效地控制,使其在受控狀態下安全、持續且平穩地輸出能量。

在已知的宇宙中,氫是最輕的,也是最多的元素,其丰度達到了73.9%,遠遠地超過了其他的元素,所以這種元素當然也成為了人類研究可控核聚變的最佳原料。

氫有氕、氘和氚這三種同位素,它們的區別在於,氕原子核是一個質子,氘原子核由一個質子和一箇中子構成,氚原子核則由一個質子和兩個中子構成,由於氕的聚變難度相對較高,而在氘-氘、氘-氚和氚-氚這三種聚變方式之中,氘-氚核聚變釋放的能量最多,也相對最容易實現,因此目前可控核聚變的研究主要是基於氘-氚核聚變的。

所以我們可以假設,這100克的核燃料是由氘和氚構成,並且它們可以全部參與核聚變反應之中。

核聚變釋放出的能量,來自聚變過程中發生的質量虧損,根據根據科學家的測算,氘-氚核聚變的質能轉化率約為0.7%,也就是說,在這100剋核燃料發生的核聚變反應過程中,會有大約0.7克的質量以能量的形式被釋放出來,根據質能公式“E = mc^2”可計算出,這個能量大約為63萬億(6.3 x 10^13)焦耳。

好的,我們再來看看汽車,根據型號的不同,我們駕乘的汽車的百公里油耗也存在一定的差異,通常在4至11升之間,這裡我們可以取其中位數,也就是每100公里消耗8升汽油。

已知汽油的熱值約為4600萬(4.6 x 10^7)焦耳/千克,汽油的密度一般在0.70至0.78千克/升之間,這裡我們可以取值0.74千克/升,簡單計算一下可得,汽車跑100公里需要消耗大約2.7億(2.7 x 10^8)焦耳的能量,平均下來,就是270萬焦耳/公里。

前面我們已經計算出,100克由氘氚構成的核燃料完全聚變後,可以釋放出63萬億焦耳的能量,我們將這個數值除以270萬焦耳/公里,就可以得出,這樣的能量,可以讓一輛汽車跑大約2300萬公里。

這是什麼概念呢?這樣說吧,即使我們駕駛一輛汽車以100公里/小時的速度一直跑,我們也需要大約26年的時間才能跑完2300萬公里,又或者說,這樣的距離,大概相當於我們圍繞著地球赤道跑575圈。

這還沒完,因為我們現在駕乘的汽車還不能實現將汽油所釋放的能量進行高效的利用,實際上,由於汽車發動機內部的熱量散失、摩擦導致的機械能損失、變速器的效率損耗、傳動系統中的能量耗散,以及各種輔助裝置的能耗等等因素的存在,我們駕乘的汽車通常只能將大約15%至25%的燃油能量轉化為推動車輛前進的有效動力。

可以看到,這樣的能量利用率其實是很低的。我們有理由相信,隨著科技的進步,人類對能量的利用效率也會不斷地提升,在這種情況下,在人類未來實現了可控核聚變之時,能量利用率提升一倍應該不是什麼問題,而如果真是這樣的話,那這100克的核燃料,就可以讓一輛汽車跑大約4600萬公里的距離。

透過以上所述,相信大家都對可控核聚變的強大有了一個清晰的認知。我們有理由相信,可控核聚變一旦實現,人類文明就將會出現飛躍式的發展,正是因為如此,科學家也一直在致力於可控核聚變的研究,期待在不遠的未來,人類能夠真正地實現這一技術,從此開啟一個全新的能源時代。

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