即使融合时代已经到来——我们仍然处于蒸汽时代

蒸汽机车沿着铁轨嘎嘎作响。明轮船在墨累河上翻腾。由蒸汽机提供动力的无畏战列舰。

我们许多人认为蒸汽时代已经结束。尽管蒸汽机已被内燃机和现在的电动机取代，但现代世界仍然依赖蒸汽。几乎所有火力发电厂，从煤炭到核能，都必须有蒸汽才能运行。 （天然气发电厂通常不会）。

但为什么？这是因为我们几千年前发现的东西。公元一世纪，古希腊人发明了汽轮机——蒸汽轮机。热量将水变成蒸汽，而蒸汽有一个非常有用的特性：它是一种易于制造的气体，可以推动。

这个简单的事实意味着即使聚变发电的梦想 慢慢靠近，我们仍将处于蒸汽时代。第一个商业聚变电站将依赖于 尖端技术 能够容纳比太阳核心热得多的等离子体，但它仍然与一个简陋的蒸汽涡轮机结合在一起，将热量转化为电能。

为什么我们仍然依赖 Steam？

沸水需要大量的能量，是迄今为止我们所熟悉的常见液体中能量最高的。蒸发水所需的能量比乙醇多约 2.5 倍，比液体氨多 60%。

为什么我们使用蒸汽而不是其他气体？水便宜、无毒，并且很容易从液体转化为高能气体，然后凝结回液体以供反复使用。

蒸汽能持续这么长时间，是因为我们有丰富的水，覆盖了地球表面的 71%，而水是将热能（热量）转换为机械能（运动）再转换为电能（电力）的有用方法。我们寻求电力是因为它可以轻松传输并且可以在许多领域为我们工作。

当水在密闭容器内变成蒸汽时，它会急剧膨胀并增加压力。高压蒸汽可以储存大量的热量，任何气体也可以。如果有出口，蒸汽将以高流速涌过。将涡轮机放在其出口路径中，逸出蒸汽的力将使涡轮机叶片旋转。电磁体将这种机械运动转化为电能。蒸汽凝结回水，该过程再次开始。

蒸汽机使用煤加热水产生蒸汽来驱动发动机。核裂变使原子分裂，产生热量使水沸腾。核聚变将迫使氢的重同位素（氘和氚）融合成氦 3 原子，并产生更多的热量，使水沸腾，产生蒸汽，驱动涡轮机发电。

如果你只看大多数火力发电厂的最终过程——煤炭、柴油、核裂变，甚至核聚变——你会发现旧的蒸汽技术被尽可能地采用。

驱动大型交流发电机的蒸汽轮机产生了世界 60% 的电力，这是一件非常美丽的事情。数百年的冶金技术、设计和复杂的制造使蒸汽轮机几近完美。

我们会继续使用蒸汽吗？新技术根本不使用蒸汽即可发电。 太阳能板 依靠入射光子撞击硅中的电子并产生电荷，同时 风力涡轮机 与蒸汽涡轮机一样运行，只不过涡轮机吹的是风，而不是蒸汽。某些形式的能源存储，例如抽水蓄能，使用涡轮机，但用于液态水，而不是蒸汽，而电池则根本不使用蒸汽。

这些技术正在迅速成为重要的能源和存储来源。但蒸汽并没有消失。如果我们使用火力发电厂，我们可能仍然会使用蒸汽。

为什么我们不能将热能转化为电能？

您可能想知道为什么我们需要这么多步骤。为什么我们不能将热量直接转化为电能？

有可能的。热电装置已用于卫星和太空探测器。

这些设备由铅碲等特殊合金制成，依赖于这些材料之间的热接点和冷接点之间的温差。温差越大，它们产生的电压就越大。

这些设备并非随处可见的原因是它们仅在低电压下产生直流 (DC)，并且将热能转化为电能的效率在 16% 至 22% 之间。相比之下，最先进的火力发电厂的效率高达 46%。

如果我们想在这些热转换引擎上运行一个社会，我们需要大量的这些设备来产生足够高的直流电，然后使用逆变器和变压器将其转换为我们习惯的交流电。因此，虽然您可能会避免使用蒸汽，但最终必须添加新的转换才能使电力发挥作用。

还有其他方法可以将热能转化为电能。高温固体氧化物燃料电池已在开发中 几十年来。它们运行温度在 500-1,000 摄氏度之间，并且可以燃烧氢气或甲醇（没有实际火焰）来产生直流电。

这些燃料电池的效率高达 60%，甚至可能更高。尽管前景光明，但这些燃料电池尚未准备好迎接黄金时期。由于高温，它们的催化剂昂贵且寿命短。但进步是 被制造.

在此类技术成熟之前，我们一直坚持使用蒸汽作为将热能转化为电能的方式。这还不错——蒸汽起作用了。

当您看到蒸汽机车嘎嘎作响地驶过时，您可能会认为这是过去的一项古怪的技术。但我们的文明仍然非常依赖蒸汽。如果 融合能力 蒸汽到来，也将为未来提供动力。蒸汽时代从未真正结束。

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图片来源： 西门子 Pressebild 来自维基共享资源

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