都說可控核聚變是一種非常強大能量來源,但具體有多強大,估計很多人都沒有什麼概念,為了說明這一點,我們不妨來討論一下,如果汽車用上了可控核聚變,那麼一公斤的核燃料能讓汽車跑多遠。
簡而言之,核聚變其實就是輕元素聚合成重元素的過程,從目前的情況來看,科學家們主要致力于利用氘和氚來作為核燃料來實現可控核聚變,這是因為氘和氚發生核聚變相對來講是最容易實現的。
氘和氚都是氫的同位素,其中氘原子核內含有一個中子和一個質子,氚原子核內則比氘多一個中子,氘氚核聚變的反應過程可以簡單地描述為,一個氘原子核與一個氚原子核發生核聚變反應后,會生成一個氦-4原子核,同時釋放出一個中子,并產生大量的能量。
核聚變產生的能量來自反應后出現的質量虧損,已知氘原子核、氚原子核、氦-4原子核和中子的質量分別為2.01410178u、3.016049u、4.002602u和1.008664u,簡單計算可知,氘和氚發生核聚變反應之后,會出現大約千分之3.75的質量虧損(注:「u」是指原子質量單位,1u約等于1.67乘以10的負27次方千克)。
這就意味著,假如我們有一公斤由氘和氚混合而成的核燃料,并且這些核燃料能夠全部完成核聚變,那麼在反應結束之后,就有大約3.75克的質量轉化成了能量,根據愛因斯坦提出的質能方程「能量等于質量乘以光速的平方」可以計算出,這個能量約為3.37乘以10的14次方焦耳。
好的,現在我們再來估算一下汽車跑一公里大概需要多少能量。
一般來講,我們平常駕駛的汽車的百公里油耗大約為5至8升,這里我們不妨取「百公里油耗8升」這個值,已知汽油的熱值約為4.4乘以10的7次方焦耳/公斤,汽油的平均密度約為0.72公斤/升,據此可以計算出,我們平常駕駛的汽車每公里消耗的能量約為253.44萬焦耳。
需要知道的是,當我們駕駛汽車時,燃料釋放出的能量,其實只有15%至25%真正用在了給汽車的前進提供動力,其他的大部分能量都是被「浪費」了的,這里我們不妨取值為20%,據此計算的話,對于我們平常駕駛的汽車來講,真正用于前進的能量大約就是50.69萬焦耳。
前面我們已經計算出了,一公斤由氘和氚混合而成的核燃料在完全聚變之后,釋放出的能量約為3.37乘以10的14次方焦耳,簡單計算后我們就可以知道,如果汽車用上了可控核聚變,那 在能量利用率為100%的情況下,一公斤這樣的核燃料就能讓我們平常駕駛的汽車跑大約6.65億公里。
退一步講,即使是按汽車現有的能量利率來計算,也可以跑1.33億公里。這是什麼概念呢?這樣說吧,地球赤道的周長約為4萬公里,按此計算出的話,1.33億公里的距離,大概相當于圍繞著地球赤道跑3324圈。
又或者說,假如我們以每小時100公里的速度駕駛汽車持續前進,那麼我們大概需要152年的時間才能跑完1.33億公里的距離。
當然了,從目前的情況來看,想要將可控核聚變的反應裝置小型化到汽車都可以用上,還只是科幻范圍,不過我們也可以通過這個例子清楚地看到可控核聚變到底有多香。
正是因為如此,科學家們也一直在致力于可控核聚變的研究與應用,期待在不久的未來,我們就可以真正地用上這種強大的能量來源。