可控核聚变再过10年发电?会立刻改变人类社会么?
大科学家受因斯坦研究认为,京西无烟煤的燃点是257摄氏度。为了使用京西无烟煤烧开水,我们首先要造出一个可以承担257摄氏度的炉子以及可以坐在炉子上的水壶——啊不,我们首先要制造出可以长时间维持257摄氏度点燃京西无烟煤的温度,把这煤点燃了先。于是一群科学家开始拿着火石在那里擦:第114514号点火方案维持100摄氏度瞬时温度长达5秒钟!第1919810号点火方案维持110摄氏度瞬时温度长达8秒,我们距离使用京西无烟煤烧开水又近了一步!至于京西无烟煤的燃点是不是真的257摄氏度,我们对无烟煤燃烧的认识是否正确,点燃无烟煤之后我们能不能造出适合的炉子与水壶……这事还没有证实。反正现在科学家还没真正的点燃京西无烟煤呢,甚至点火试验装置里就没放煤。
现在人类距离实现可控核聚变的距离大概就是这个情况。包括我们正在合肥进行施工建设的中国聚变工程实验堆(CFETR)。这个项目的第一期研究内容是“如何生炉子”,直到这个工程的第二期接近结题(2035年),才开始探索聚变物质放电,实现“输出功率大于输入功率”。现在一些媒体和新媒体对可控核聚变技术研究的过分乐观描述,本质是误读。
至于说为什么满山的柴火我们非要费劲折腾无烟煤呢?大家还记得第一次工业革命么?我手打一段文字:
它的重要意义不亚于从旧石器时代的原始的狩猎人向新石器时代定居的务农人的转变(无可不认这个过程要慢得多),工业化(尤其是蒸汽机)的贡献 是用非生物能源取代生物能源,利用机器(快速 、有规律、准确和不停运转的机器)将热变为功,因而人类能利用大量的新能源。采用这种新机器取得了确实惊人的结果:到了19世纪20年代,一个人操作几台动力驱动的织布机,其产量是手工织布工人的20倍,而动力驱动的“骡子”(即走锭精纺机),其能力是手纺车的200倍。一个火车可运送需要数百匹马才能运送的货物,而且速度快得多。确实,产业革命还有其他很重要的方面,例如,工厂制度与分工。而本文着重研究的是生产力(尤其是纺织工业产生力)的巨大增长,而它反过来又促进了对更多的机器、原材料(尤其是棉花)、生铁、船舶、优良交通设施等需求。
兰斯德教授在1870年指出,英国当时使用了1亿吨煤,这个数字相当于800万亿卡热量,足够8.5亿成年男人用1年(当时的实际人口是3100万)。1970年,英国的蒸汽机能力约为400万马力,相当于4000万人产生的功率;“这么多人会消耗约3.2亿蒲式耳小麦,比整个联合王国1867-1871年期间的年产量高2倍多”。采用非生物能源可以使产业工人不受生物学因素的限制,大大增加和创造财富,而不必屈服于快速增长的人口压力。
——《大国的兴衰》【美】保罗·肯尼迪 著
那么,突破可控核聚变技术的世界,是否能立刻为人类社会带来改观呢?答案是否定的。
1995年,中国核学会秘书长、原子能专家傅满昌突然接到二十多年前在武汉工作时的老上司的电话。对话如下:
……(前略)他问我:“利用聚变能何时能实现?”我说:“聚变能的利用主要是通过对聚变反应能实现可控的聚变反应堆来实现,如何能实现可控的聚变反应,以及如何使聚变反应产生的能量安全地导出是聚变研究的主要课题。这里有理论问题,也有工程问题,而且工程问题可能更困难一些。根据一些报道,至少要50年以后才有可能实现。”他又和我谈了一些其他问题,最后说:“我们国家很大,要干的事很多,我们不能全线出击,要有所为有所不为。”
“理论问题,工程问题,工程问题可能更复杂一些”。这句话怎么理解?我来百度一下:
汽车产业是世界工业最大的生产门类。我们看看汽车的发展史:
1794年,英国人斯垂特首次提出了把燃料和空气混合形成可燃混合气以供燃烧的设想。
1801年,法国人勒本提出了煤气机的原理。
1824年,法国热力工程师萨迪·卡诺在《关于火力动力及其发生的内燃机考察》一书中,揭示了“卡诺循环”的学说。
1859年,法国的勒努瓦用煤气和空气混合气取代往复式蒸气机的蒸气,通过电火花点火爆发燃烧,制成二冲程煤气内燃机。
1861年,法国的德·罗夏提出了进气、压缩、作功、排气等容燃烧的四冲程内燃机工作循环方式,于并申请了专利。
1866年,德国工程师尼古拉斯·奥托成功地试制出动力史上有划时代意义的立式四冲程内燃机。1876年,又试制出第一台实用的活塞式四冲程煤气内燃机。
曾和奥托共过事的德国人G.戴姆勒发明了燃烧炼制灯用煤油副产品的汽油蒸气内燃机,1883年取得专利,其于1885年把这种内燃机装在了木制自行车上,翌年又装到了四轮马车上。1885年,德国的本茨把汽油内燃机装上了三轮车。两人独立进行研究,同为世界首辆汽车的发明人。
戴姆勒和本茨住的并不远,甚至他们二人分别创办的汽车公司在本茨82岁的时候宣布合并为“戴姆勒-本茨公司”,就是今天的德国奔驰。但是他两人生前从未见面,公司合并的时候戴姆勒已经去世多年,本茨表示惋惜。为什么两位发明家能在同一年各自独立完成世界上首辆汽车的发明呢?因为早在第一辆汽车问世之前,许多与它相关的许多发明就已经出现了,如铅酸蓄电池、内燃机点火装置、硬橡胶实心轮胎、弹簧悬架等,汽车是许多发明或技术的综合运用。而当时的德国,正是率先进入以内燃机、电力技术为代表的第二次工业革命的国家。德国有充足的技术储备、人才储备去迎接汽车的诞生。甚至世界上首位司机是本茨的夫人。本茨有些宅,不好意思当众展示自己的发明。本茨夫人决定驾驶丈夫的发明汽车带着孩子回娘家,单程一百多公里,向大家证明丈夫的发明。期间汽车发生了诸如油路堵塞、电线短路等故障,都被本茨夫人用发簪、长筒袜应急修好。可见本茨夫人不但是个无师自通的优秀女司机,还是个被家务耽误的优秀机械师……说明了当时德国的工业文化氛围。
1887年法国庞哈德·莱瓦索马车制造公司获得戴姆勒高速汽油机在法国生产的专利权。按买主要求,依靠技巧娴熟工匠用手工在装配大厅配制每辆各不相同的轿车。此时,汽车生产还是手工作坊状态。至1900年,欧美共生产汽车9504辆。1900年一项针对欧美上流社会的问卷调查显示,当时人们对内燃机汽车的可靠性并不信任,当时大家认为最可行的汽车方案是铅酸蓄电池汽车,还有百分之几的受访绅士认为汽车最好由蒸气驱动。
1908年,亨利·福特及其伙伴将奥尔兹、利兰以及其他人的设计和制造思想结合成为一种新型汽车——T型车,1909年开始T型车单一品种生产。1914年,福特将泰勒的流水生产线技术运用到汽车上,这种技术被后人称为装配线。
从提出原理雏形到生产出原型机,从作坊式生产再到大规模工业化生产,再到二战后世界进入汽车时代,人类用了约150年的时间。相比之下,以原子能、电子与信息技术、航天航空技术为代表的第三次工业革命则要迅速的多。
以原子能为例:
19世纪末,英国物理学家汤姆逊发现了电子;1895年,德国物理学家伦琴发现了X射线;1896年,法国物理学家贝克勒尔首次发现了天然铀的放射性;1898年,居里夫人又发现了新的放射性元素钋和镭;1902年,她经过4年的艰苦努力成功分离出毫克级的高纯镭;1905年,爱因斯坦提出了著名的质能转换公式E=mc2(c为光速,E为能量,m为转换成能量的质量)。
1914年,英国物理学家卢瑟福通过实验,确定氢原子核是一个正电荷单元,称为质子。1932年,英国物理学家查得威克发现了中子。1938年,德国科学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼用中子轰击铀原子核,发现了核裂变现象。
1942年,芝加哥大学的师生徒手用石墨在学校体育场看台下搭建了世界上首个核反应堆。三年后的1945年,曼哈顿计划成功,三颗原子弹成功爆炸。1957年,苏联建成了世界上第一个核电站。然而,由于种种原因,人类并没有由此进入原子能的时代,至今,核电仅生产了全球16%的电力……
核技术大约用了五十年从基础理论研究发展到了实际应用,因为成本和技术等原因未能全面取代传统的化学能源。
电子信息技术的发展更顺利和神速一些:1904年,电子管发明。1945年,世界上第一台电子计算机问世。1948年,晶体管问世。1958年,集成电路发明。1981年,PC诞生。20世纪90年代,“信息高速公路”将世界带入互联网时代。21世纪初叶,移动互联网技术进一步扩展了信息技术的应用领域……现在,电子计算机已经无处不在。
人类攻克了核聚变大关之后,世界还要经历漫长的岁月才能发生变化。核聚变材料的取得等问题将成为人类新的难关。更何况如今的核聚变技术路线是否可行还有待验证,更别说我们面临的工程技术问题了。