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科普~ 为什么核聚变用氘氚,而不是用氢或者其他元素呢?
送交者: 熠熠童心[★★★像风一样自由★★★] 于 2019-02-10 18:47 已读 492 次 1 赞  

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在自然界中,氢有三种同位素,分别是原子核中没有中子的氕,原子核中有一个中子的氘(重氢),原子核中有两个中子的氚(超重氢)。其中氕的丰度最高,达到了99.98%。在宇宙中,恒星的发光原理是氕的核聚变反应,结果产生氦-4。而在人工核聚变中,使用的核聚变原料才是氘和氚。那么,为什么人类不使用丰度最高的氕来进行核聚变反应呢?6parker.com

原因就在于氕的核聚变反应很难进行,而氘和氚较为容易发生核聚变反应。氕原子核就是质子,它们带正电荷,这意味着它们会互相排斥。氕的核聚变反应是分步进行的,没有不带电荷的中子存在,质子很难结合在一起形成没有束缚态的双质子(氦-2)。就算质子结合在一起形成双质子,它还需要经历β+衰变产生氘、正电子和中微子,这样才能进行接下来的核聚变反应,但发生β+衰变的概率极低。6parker.com

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β+衰变6parker.com

只有在像太阳这样恒星的核心区域,大量的氕原子核在极端温度和压力下才能更容易地发生核聚变反应。但即便如此,一个氕原子核真正完成一系列的核聚变反应仍然相当不容易,这个时间需要持续长达10亿年。人类还无法实现维持氕核聚变反应的极端条件,所以这种过程现在只发生在恒星内部。6parker.com

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相比之下,由于氘和氚原子核中存在电中性的中子,它们更容易结合成有束缚态的氦-5。然后,氦-5又会衰变成氦-4和中子,这样核聚变反应更容易进行下去。因此,目前的人工核聚变都是采用氘和氚。但现在人类还无法控制这种核聚变反应,诸如氢弹爆炸都是不可控的。如果未来可控核聚变被攻克了,将能解决能源问题。6parker.com

此外,有人说,氘和氚核聚变释放出的能量高于氕核聚变,这是不对的,看看它们的比结合能就知道了:6parker.com

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氕的比结合能比氘和氚都要小,所以核聚变所能产生的能量更高。氕核聚变反应的终点不是氘,而是氦-4,质子-质子链式反应可以释放出相当巨大的能量。6parker.com

氢分子不是最小的分子,还有一种特殊的分子为单原子分子,比如氦气就是由单个氦原子构成的。氦原子或氦分子就是同一个东西,而氢分子可是两个氢原子构成的,所以氦分子比氢分子要校6parker.com

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严格来说,氕氘氚都是氢,只不过为了区分这三种氢的同位素才这样命名的。大家通常所说的氢,大多数情况下就是氕,因为氢中大约99.985%的氕,所以提取氘和氚才那么难,因为丰度太低了。核聚变就要考虑难易程度了,使用氕原子也可以实现核聚变,但是需要的聚变控制条件比较高,人类只好选择氘和氚,虽然这样也很难实现。氘氚核聚变的缺点是会产生高能中子,容易破坏核设施的材料。使用其它核聚变燃料时,可以选择氘和氦3反应、氦3和氦3反应。

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