核聚变100问(19):1公斤核聚变燃料能让汽车跑多远?

· 行业科普

大家普遍认为可控核聚变是一个非常强大能量来源,但许多人可能不太清楚它到底有多强大。为了更好地解释这点,我们可以考虑一下如果把可控核聚变用于汽车,一公斤核燃料将可以支持汽车行驶多少距离?

broken image

简单来说,核聚变是轻元素合成重元素的过程。目前,科学家主要研究使用氘和氚作为核燃料来实现可控核聚变,因为氘和氚的核聚变比较易于实现。氘和氚都是氢的同位素。氘的原子核包含一个中子和一个质子,而氚的原子核中则多了一个中子。氘和氚的核聚变反应可以概述为:一个氘原子核和一个氚原子核结合后,形成一个氦-4原子核,并释放一个中子和大量能量。

broken image

核聚变释放的能量来源于反应中产生的质量亏损。具体来说,氘原子核、氚原子核、氦-4原子核及中子的质量分别为2.01410178u、3.016049u、4.002602u和1.008664u。计算发现,氘和氚进行核聚变反应时,会损失约千分之3.75的质量(注:“u”是原子质量单位,1u约等于1.67乘以10的负27次方千克)。这意味着,若我们拥有一公斤的氘和氚混合核燃料,并且这些燃料完全发生核聚变,那么在反应结束后,约3.75克的质量会转化为能量。根据爱因斯坦的质能方程“能量等于质量乘以光速的平方”,这部分能量大约是3.37乘以10的14次方焦耳。

broken image

我们来估算一下一公里行驶消耗的能量。通常,常见汽车的百公里油耗大约为5至8升。这里,我们采用8升的油耗。已知汽油热值大约为4.4乘以10的7次方焦耳/公斤,汽油平均密度为0.72公斤/升。据此,汽车每公里行驶大约消耗253.44万焦耳能量。考虑到燃料释放的能量中,只有大约15%至25%被用于推动汽车行驶,其余能量大多数被浪费。这里取20%为例,驾驶汽车实际用于前进的能量约为50.69万焦耳。

broken image

根据上述计算,一公斤氘和氚混合核燃料完全聚变后释放的能量约为3.37乘以10的14次方焦耳。这就意味着,假设汽车能以100%的能效利用这种能量,一公斤的核燃料足以让汽车行驶约6.65亿公里。如果按现有汽车的能效计算,也可行驶达1.33亿公里。将这一数字放在地球赤道上比较,大约相当于围绕地球赤道行驶3324圈。

broken image

如果换算成时间,以每小时100公里的速度连续驾驶,需要约152年时间才能行驶1.33亿公里。尽管目前将可控核聚变技术缩小至足以应用于汽车仍属科幻,但通过这一例子,我们可以清晰看到可控核聚变的巨大潜力。因此,科学家们持续投入到可控核聚变的研究和应用中,期待在未来不久我们能够真正利用这一强大的能源。