如果今天成功的做出了可控核聚變,在現有的科技條件下不使用化石能源,只用可控核聚變能否衝出地球?

(簡單點說就是有沒有用電(核聚變使用來發電的把!)做驅動就可以擺脫地球引力的推進器或其它裝置,只要是用電的就行)

//好多人都誤會了,我說說我的思考和想法把,我之所以要問是否能衝出地球,是因為我想到,如果現在發現一個和地球一樣大的星球,需要派人去探索,那就需要發射載人火箭上天,然後到達該星球,再降落,收集數據後再上天再回到地球再降落。這就相當於把載人火箭發上天再降落下來不加燃料的情況下再發上天再降落下來,如果沒有好的方案靠化石能源可能嗎?只是在太空中飄來飄去有什麼用?探索新的星球才會有意義!!!(我們的目標是星辰大海(中的其它星球))如果不能做到這樣,別說還沒有找到類似地球的星球,就算找到了也開發不了


從原理上說,地表發射火箭唯一的問題是足夠大的功率,功率夠怎樣都好辦。

可控不可控對發射並不怎麼要緊,把詞典換成俄文的,毛子那邊核爆開山,核爆造湖,核爆滅火是常規可控操作,核爆發射自然也可控。

準備一堆小型氫彈,再把當年Nuclear pulse propulsion的圖紙翻出來,Boom!Boom!Boom!Boom!Go!用可控術語來說,這叫做自由空間裂變中子源點火慣性約束聚變,美國國家點火裝置激光點火慣性核聚變的低頻高能土鱉版。千噸級核彈殺傷半徑不到一公里,十公里以外就可以戴墨鏡觀賞發射了,相當可控。

這東西能到排氣速度幾十公里每秒,比沖萬秒,推力百噸的級別,有史以來人類完成理論做過前期實驗進行實際設計的推進方案中,功率最大,比沖和推力綜合性能最理想的一種。實現的主要障礙是政治問題。

如果不想僱傭俄國安全主管,那麼也還有別的法子。以近未來的技術,聚變的安全穩定和快速反應必然是矛盾的,所以能做的就是設法存儲電能、集中釋放來獲取巨大的瞬時功率。不僅聚變發電,太陽能發電也可以走這條路子——後者的正確名稱是引力約束可控核聚變發電,簡稱恆星戴森球的一點點點點點點小碎片,只有這個規模是人類太矬。

例如說,雖然完整版本的太空電梯在材料上有點兒問題,但是不完整版本是可以有的。這個概念叫做Space tether,依靠機械儲能把亞軌道載荷直接送到高軌道上。

修不了完整的太空電梯,修一小截也行

地面發射也有很多神奇(讀作腦洞大開)的方案,把電磁發射軌道修到喜馬拉雅山這種太普通的主意就不說了,正在進行的方案里有原教旨蒸汽朋克彈射器,靠電熱燒水儲能,噴水蒸汽的起飛級,推重比非常鬼畜,比沖同樣鬼畜:

無軌道蒸汽彈射器

同類的方案出現在火星探測的設想中;火星上二氧化碳管夠,收集空氣中的二氧化碳,加壓存儲,然後加熱噴出。可想而知這種電熱二氧化碳噴罐不可能有多高的性能,但是工質不要錢嘛。

只要推力夠,滅火器上天

更進一步說,現在的長期火星方案都基於In situ resource utilization(ISRU),在最壞的情況下攜帶液氫依靠大氣層中的二氧化碳產生甲烷, 最好的情況下挖到水源直接電解產氫。設備早幾百年就把地面實驗做完了。

沒有燃料自己造

當然,在地球上這麼干也沒人攔,只要電能管夠,化學能就不是問題。昨天海里抽水電解的氫,去年石灰岩里挖出來的碳,上周收購的玉米發酵成的酒精,和化石燃料有什麼關係?

能量是可以相互轉化的

方案隨便舉舉就有這麼多,每一個都有地面樣機,成熟度比可控核聚變本身還高,沒啥可擔心的。


可以,但也就是太陽系內大量建設居住區的程度,朝任何方向載人宇航都不可能,發射馮諾依曼探測器則不需要可控核聚變。

可控核聚變-&>電能-&>毫米波火箭,從地球表面起飛毫無問題,就是浪費大量能量。

可控核聚變不等於發電,沒任何必要綁定在用電推進上。核聚變推進器是直接噴射聚變產物或加熱工質噴出的。

可控核聚變電站遠程供能毫米波火箭:

毫米波可以將空氣電離產生爆轟推動航天器,航天器本身只需要極少的變軌燃料、緊急逃生燃料,大幅節約重量。也有不點空氣而是讓毫米波加熱火箭上攜帶的工質(可以是水)的方案、讓毫米波將火箭推到高層大氣再用化學火箭發動機入軌的方案。用帶聚光構造的被動吸氣脈衝爆震發動機代替現存火箭發動機及其燃料可以節約80%的重量。

左側入射的170GHz毫米波引起的等離子化大氣

適合在地球大氣中傳播的毫米波是35GHz、94GHz、140GHz、220GHz。直徑5米的現代毫米波天線可以在20千米內將波束直徑控制在5米,直徑120米的天線則可以在200千米內將波束直徑控制在5米,持續照射火箭。電離層對100GHz程度的毫米波幾乎沒有反射,3波共鳴、熱自聚焦之類非線性相互作用可以靠位相補償來解決。

這是1980年代才出現的想法,晚於激光推進。但由於核聚變方面多年來的應用需求,人類對迴旋管相關技術的掌握程度還好,現代迴旋管單個輸出可以達到2MW,單價數十萬人民幣,輸出效率大於50%,數十座到數千座集束在原理上沒有問題,使用5000小時才開始出現故障(一次發射只使用幾百秒)。如果建成大規模基地,散熱設備類似現代發電廠的水冷系統,儲能可以靠飛輪,可以短時間連續進行航天發射(如一天10發)。

現階段實驗顯示每個1MW迴旋管每次發射可以送1~2千克物體上近地軌道。集中10000座,幾天就能把百噸有效載荷打上近地軌道了。要是搞得到幾十萬座,一次把百噸有效載荷打上近地軌道也是可以的(此時儲電飛輪的建設費跟迴旋管同等。這種規模的毫米波發射系統非常嚇人,因為這些設備是集發射彈道導彈與攔截導彈·飛機於一體的)。

未來的萬噸級軌道太陽能發電系統可能用得上這樣的發射系統。

東京大學 10克級毫米波火箭模型 930千瓦單脈衝毫米波 飛行高度2米

東京大學 100克級毫米波火箭模型 570千瓦脈衝毫米波 平均推力30N

不行,燃料能量密度高不等於反應堆功率/質量、推力/質量比高。可預見未來核聚變反應堆連同其輔助支持設備複雜笨重,使得推重比低到不足以直接從地面起飛(加大功率設備質量也水漲船高),特別是在大氣層內核聚變反應堆需要抽真空難以直接噴氣產生推力(任何聚變實驗堆都抽真空後灌燃料),只能通過熱交換器加熱推進劑,進一步增加了質量。核聚變推進整船推重比能達到0.01已經是很了不起了,而運載火箭起飛推重比在1.3-1.6左右。當然如果你是用氫彈玩核脈衝推進另當別論,然而這屬於不可控核聚變。

有人可能科幻看多了沒感覺,不了解現實那請看下面:

那麼巨大、笨重(注意中間人體比例)的ITER國際熱核實驗堆熱功率才500兆瓦,要作為引擎產生推力我估計再怎麼折騰推力很難超過50噸,根本飛不起來。

作為對比核裂變熱功率5000兆瓦、推力250千磅(111.6噸)的太陽神2核熱火箭發動機(最右側)才不到6米高。

再看上圖,推力海平面推力189.6噸的太空梭主發動機和人的比例,通過這些對比就知道通過可控核聚變直接從地面起飛至少在100年內是痴心妄想。

用核裂變衝出地球倒是勉強可行,通過使用變循環核熱渦輪/衝壓噴氣發動機+核熱火箭組合,使用核裂變的航天器可以直接從地面起飛進入太空並且行星際飛行。當然會給地球大氣造成一定的放射性污染,如果出事墜毀那就是小福島、小切爾諾貝利式的重污染區。還是用氫/氧、液氧/甲烷等化學推進上天更實在。

重申一下核聚變的正確用法類似於加強版的電推進系統,需要用其他方式送進太空才能有效工作。至於發電,我們頭上懸浮著一個不需要維護、持續工作幾十億年的天然核聚變反應堆——太陽

太陽系太陽能強度見上圖,有免費的太陽能不享用是很愚蠢的,無論是光伏發電還是聚光光熱發電都很成熟(光熱簡單的說用聚光鏡加熱燒水發電,蘭金循環發電效率也不比光伏低),只有小行星帶以外才需要核能。因此核聚變不是開發火星的前提

核聚變推進倒是很有價值,雖然推力低無法直接從地面起飛(核聚變飛船得像國際空間站那樣在太空組裝),但比沖高、推力也比離子推進器等電推進系統高不少,不必慢慢走螺旋軌道。不過即便如此可預見未來可控核聚變去木星也要半年以上。注意因為推重比和散熱等制約不可能有120G加速度的可控核聚變飛船,至少100年內絕對看不到,除非有什麼改寫物理的新發現、黑科技。核聚變飛船根本不需要啥深海液,0.01G加速度下你只會嫌重力太低而不是太高了,化學火箭、核裂變推進的加速度也通常不會超過4G,除非你想不開把自己綁一堆大推力固體火箭上同時點燃,才可能接近120G

強調一下,核聚變飛船跟核聚變運載火箭是兩回事,好比是現在有太陽能電推進飛船但沒運載火箭用太陽能電推進起飛。

人類目前加速度最高的可控飛行器(制導炮彈不算,因為沒可比性)——使用固體燃料火箭驅動的「衝刺」(Sprint)末端核反導攔截彈加速度100G,引擎總工作時間不到20秒,下面是衝刺導彈的視頻。

加速度100G的衝刺導彈看起來很猛實際上極速不到3500米/秒。人類目前發射過的變軌機動能力最強的航天器—黎明號小行星帶探測器推進系統總的速度增量能力超過10千米/秒,差不多是衝刺導彈的3倍,而其所用的離子推進器加速度卻極低,推力幾百毫牛頓。

很多人直覺上可能很難接受黎明號(上圖)實際上居然比衝刺導彈快3倍。很多事實不是你主觀認為的那樣,實際上完全恰恰相反。

因此速度不等於速度,低加速度不等於最終速度低,持續加速能讓速度累計增長,太空運輸根本用不上那麼高的加速度,是自尋煩惱。如果你以1G(9.81㎡/秒)從靜止持續加速1小時最終速度為35,316米/秒,持續1G加速一星期就是5,933,088?米/秒。

談核聚變就不免想到月球氦3,媒體、科幻瘋狂炒作月球上氦3核聚變燃料多豐富多重要儼然成月球石油。實際上月球上氦3丰度很低僅為2-15PPB(10億分之2—15),還僅限於月球表層土壤(來自太陽風粒子沉積),作為對比海水中黃金含量都有3.3ppb(十億分之3.3),從月球表層土壤里提取氦3的難度不亞於從海水中開採黃金。況且地球上可以通過中子轟擊鋰成氚然後氚衰變高效的獲得氦3(也就是說你去買氚光管同時也買到了少量氦3),海水中鋰含量是0.14 -0.25ppm(百萬分之0.14—0.25)比月壤氦3儲量高多了。可以說月球氦3毫無經濟競爭力。

一定要分清科幻和現實,很多媒體不查證消息來源盲信然後傳謠,本身不懂科學對事實無知、缺乏邏輯判斷能力,卻總想搞標題黨嘩眾取寵眼球。市井流傳廣、多數人認為的不等於是對的。某些標榜的硬科幻實際上並不比原力光劍合理多少。

對了,還有媒體乃至教科書等很喜歡把可控核聚變說成是人造太陽,這似是而非。從科學上講有很大偏差,人類目前搞的可控核聚變研究是基於氘(重氫)-氚(超重氫)、氘-氘、氘-氦3等燃料,而稍有常識的人都知道恆星核聚變是燒氫,通過質子鏈反應或者更劇烈的碳氮氧循環進行。然而質子鏈反應所需壓力遠超人類可預見技術能力,所以沒人研究和恆星一樣純燒氫的核聚變反應

不過的確有天體的核聚變反應是燒氘的,那就是介於氣體巨行星和低質量恆星之間的褐矮星(Brown dwarfs)褐矮星的定義是核心壓力足以點燃氘-氘聚變,但無法點燃氫。核心的核聚變會持續數千萬、上億年讓褐矮星發光,褐矮星的下限是13倍木星質量(所以別再妄想木星變恆星,連變褐矮星都差遠呢),超過75倍木星質量可以暫時點燃氫但會隨著星風導致的質量損失而很快中止,唯有80倍木星質量以上的天體才能點燃氫並且長久維持反應成為恆星。所以人類目前的可控核聚變是人造褐矮星而不是人造太陽

核聚變跟納米、量子、轉基因、輻射等都是公眾容易出認知偏差、盲目迷信的領域,需要更多科普也需要公眾有實事求是的科學精神和邏輯思維才能避免被忽悠誤導。


更新一張評論,我覺得九年義務教育急需改革,學了常識不會用反而把虛構的科幻當真

真的笑死我了,我想到處刷梗居高臨下訓斥教育人的民科和熊孩子多半是這樣的人。關於阻力,近地軌道上是有微弱阻力會導致減速軌道降低,但是海拔1000千米以上阻力可以忽略不計了。星際空間的星際介質更是稀薄到(我記得每立方厘米不到20個分子·/離子)無需考慮阻力,除非你玩巴薩德衝壓發動機。


對於某簡單火箭2玩家經過無數次核熱火箭飛船花式炸機後

得出結論,

別說可控核聚變,就是上圖那123kn,900s比沖的核熱火箭不靠化學燃料都是

飛不起來

多少次了,我試圖讓核熱火箭躺在地上,像飛機一樣起飛。。。。

試圖設計更好的機翼結構讓其像ssto一樣。

結果

一飛炸機 二飛翻滾 三飛沒油 四飛超重

鬼知道我經歷了什麼

幾十億美刀就這麼沒了

簡單航天公司破產了。。。。。

況且我公司的核熱飛船推重比都有0.6。。。。


核聚變的能量密度遠高於化石能源,在現有的科技條件下,衝出地球是一點問題沒有,若能量利用率能進一步提升,衝出太陽系也不是什麼難事。

關於聚變中蘊藏的能量,可看以下文章:

為什麼很多人都認為核聚變是人類的終極能源供應? - 魚昆的回答 - 知乎 https://www.zhihu.com/question/52333244/answer/130128790


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