仿生学这一系统的概念,最早由美国专家斯蒂尔于1960年提出。不过人类很早就与之打交道了,
仿生学就是通过模仿生物的功能或者结构,来发明改善工具,或者发现新原理。比如,锯子的发明灵感就来源于带有锯齿状的植物叶片,薄壳建筑借鉴于蛋壳的力学原理,蝇眼照相机的原理则来自于苍蝇的复眼……
虽然人类已经通过可控核裂变,初步掌握了核能的利用,但人类并不满足于此,核聚变才是人类梦寐以求的能量来源,核聚变拥有比核裂变更高的能量转化效率。
让氢聚变为氦并释放出巨大的能量,并不是太难,但也并不简单,需要保证上千万甚至上亿摄氏度的高温,以及媲美太阳内部的高压。比如氢弹就是利用原子弹爆炸后产生的高温高压进行引爆的。
氢的原子序数为1,原子核内仅有一个质子。它有三种同位素,分别是氕、氘、氚,通常所说的氢原子就是指氕,氕是氢的主要稳定同位素,原子核内没有中子,在氢元素所有核素中占比为99.985%。至于氘和氚,其原子核内中子数分别为1和2。
而让氢聚变为氦,也有三种途径。
1,质子-质子链反应 :太阳内部的核反应就采用的是这种方案,先是两对质子形成两个氘原子,然后每个氘原子与一个质子结合形成一个氦3原子,最后两个氦3原子结合形成一个氦4原子和两个质子。
2,氘-氘反应:两个氘原子结合形成一个氦3原子和一个中子。
3,氘-氚反应:一个氘原子和一个氚原子结合形成一个氦4原子和一个中子。
人类现在正处于电力时代,不管是啥能量,大多都会转化为电力,而要想利用核聚变能量,目前最普遍的方式还是利用核聚变释放出的巨大热量烧开水,并利用蒸汽推动发电机组发电。不过想用它安全稳定地烧开水,就必须要让核聚变可控。
科学家为了实现可控核聚变,主要想出了两种方法,一种是磁约束,利用超导体产生的超强磁场和电场加热、挤压和约束等离子体;另一种则是惯性约束,利用激光束或者离子束加热、挤压和约束等离子体。
其中磁约束对应的反应堆有两种,一种是托卡马克,我国对这种反应堆的研究已处于全球领先地位;还有一种是仿星器。而采用惯性约束的反应堆,比较著名的就是位于美国劳伦斯利弗莫尔实验室的国家点火装置(NIF),该装置采用激光诱导聚变,使用上百束激光,并聚焦于装有氘-氚燃料的靶丸,使之发生聚变反应。此外,还有将两种方法结合的磁化靶聚变反应堆。
这么多年过去了,却始终没有太大的进展,可控核聚变仍处于实验研究阶段。其主要难点不在于激发核聚变,而在于让氢核聚变保持持续而稳定地运行。如果要实用化,还必须保证输出能量远大于输入能量。
不过,英国一家名叫 First Light Fusion 的研究核聚变的科技公司的研究人员另辟蹊径,想出了一种新的方法来实现核聚变。据说,该公司的研究人员通过研究枪虾迸发了灵感。
枪虾学名叫作鼓虾,是一种生活在热带浅海中的节肢动物,它虽然不起眼,但它的攻击方式非常特别,在遇到猎物时,它会将巨螯迅速合上,喷射出一道时速100公里每小时的高速水流,从而将小鱼小虾击晕或者击杀。 由于速度极快,枪虾的这一攻击模式必须要利用高速摄影机才能看到。
研究表明,枪虾合上巨螯的那一瞬间,大约能够产生190~210分贝的声响,比真实的枪声响得多,枪虾的名字就得于此。
更为惊人的是枪虾喷射出的水流所产生的气穴现象,那些极小的低压气泡从产生到破裂,耗时极短,可气泡破裂时产生的温度竟然高达4700℃,并伴随着虾光现象。而前面所说的巨大声响就是气泡破裂的瞬间产生的。
科学家设想,既然枪虾能够依靠小小的巨螯产生超强的冲击波和数千度的高温,那么人类造一把更大更强的“枪”,或许能够依靠这种方式实现核聚变。
目前这一想法已经付诸实践,研究人员已造了2个巨大的发射装置。其中一个重2.5吨的超高速气动发射装置,能够让弹丸以7公里每秒以上的速度发射。除了气动发射装置,First Light Fusion还制造了一个被叫作M3的发射装置,该装置重达40吨,使用电磁弹射发射弹丸,能够让弹丸以每秒20公里的速度发射。
通过弹丸高速撞击装有核聚变材料的靶子,能够在瞬间产生极高的温度和压力,目前该公司在实验中已经利用这种方式成功实现了核聚变。按照这种思路,只要开“枪”频次足够高,就能够输出大量的核聚变能量。
(被撞击的装有聚变燃料的芯块)
至于在这个过程中释放出的核聚变能量,研究人员使用液态锂幕池吸收它,然后经由热交换将热量传递给水,从而完成烧开水发电这一最后的步骤。
采用这种方式实现可控核聚变,并不需要利用精密的装置来控制聚变物,只需要每隔一段时间开一“枪”就行了,总之就是利用间断的超小型核爆来释放能量,实现对氢核聚变能量的利用。
其实,这种方法就是采用高速撞击来实现核聚变,早在上个世纪就已经有物理学家提出了这种类似的方法,只是当时人们并不看好。在此,我不得不佩服那些敢于冒险、敢于开拓的科技公司。