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什么是核聚变?

在了解核聚变之前,我们可以先来看看下面这幅图。这幅图展示的是原子的结合能随原子序数的变化。可以看出,当原子序数比较小的时候,结合能的变化很大。因此我们可以依靠轻核聚合引起的结合能的变化来获得能量,这就是轻核的聚变,简称核聚变。

图1. 结合能随原子序数的变化

核聚变和核裂变的比较

核聚变和核裂变相比,最大的好处是核聚变释放的能量要更高,而且由于核聚变的燃料是氘,氘可以在海水中提取(即重水,重水在海水中的比例约为1/6700),所以核聚变的燃料可以说是取之不尽用之不竭,而核裂变则会面临铀资源枯竭的危机。

另外,和核裂变相比,核聚变基本没有放射性的危害。尽管氚有放射性,但它仅仅是中间产物。因此,可控核聚变比从裂变中汲取能源更加安全、高效和清洁,并且可持续。这就是为什么世界各个大国要争相研究可控核聚变的原因。

图2. 核聚变的原理示意图

太阳上的核聚变

恒星自身会发光发热,释放出巨大的能量,靠的就是自身的核聚变。以太阳为例,它的内部主要包含了两个反应:碳循环和质子-质子循环。这两个循环最终的结果都是四个质子聚变,释放出26.7MeV的能量,这个能量比核裂变要大八倍,比化学能要大一亿倍左右。

虽然能量巨大,但是太阳上的核聚变进行的是非常缓慢的,缓慢到可以保证太阳的质量在今后几百亿年内不会有显著的变化。

既然这样,我们能否在地球上建造一个小太阳,进行核聚变,为人类提供巨大的能量呢?这其实就是可控核聚变所研究的课题。

图3. 太阳上的核聚变

氢弹

氢弹的原理是核聚变,但它是不可控的。由于发生聚变反应需要极高的温度,因此氢弹的爆炸必须用裂变方式来点火。因此,我们也可以将氢弹看做是聚变和裂变的一个混合体。因为是非可控的,氢弹目前为止也只能是作为一种武器存在。

图4. 氢弹爆炸

可控核聚变

太阳的聚变燃料是通过太阳巨大的质量所产生的强大引力聚集在一起的。在地球上无法通过这一点控制核聚变,因此我们必须想一些其它办法来控制核聚变,约束核聚变的燃料。目前已经提出的核聚变的约束方式有激光惯性约束、电子束、重离子束的惯性约束,磁约束等等。

磁约束的装置有很多种,最著名的就是我们经常听到的托卡马克装置。关于托卡马克的内容过于专业,我们在此就不再深入了。

图5. 托卡马克装置

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