核聚变

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核聚变,又称核融合、融合反应或聚变反应,是指将两个较轻的核结合而形成一个较重的核和一个极轻的核(或粒子)的一种核反应形式。在此过程中,物质没有守恒,因为有一部分正在聚变的原子核的物质被转化为光子(能量)。核聚变是给活跃的或“主序的”恒星提供能量的过程。

两个较轻的核在融合过程中产生质量亏损而释放出巨大的能量,两个轻核在发生聚变时虽然因它们都带正电荷而彼此排斥,然而两个能量足够高的核迎面相遇,它们就能相当紧密地聚集在一起,以致核力能够克服库仑斥力而发生核反应,这个反应叫做核聚变。

举例:两个质量小的原子,比方说两个氚,在一定条件下(如超高温和高压),会发生原子核互相聚合作用,生成中子和氦-4,并伴随着巨大的能量释放。

原子核中蕴藏巨大的能量。根据质能方程E=mc2,原子核之净质量变化(反应物与生成物之质量差)造成能量的释放。如果是由重的原子核变化为轻的原子核,称为核裂变,如原子弹爆炸;如果是由较轻的原子核变化为较重的原子核,称为核聚变。一般来说,这种核反应会终止于铁,因为其原子核最为稳定。

太阳是主序星,通过原子核的核聚变产生能量,把氢原子聚变成氦原子。在它的核心,太阳发生以每秒钟6.2亿吨氢的核聚变。

最早的人工核聚变技术是氢弹,同时在20世纪50年代,人类开始认真地研究发展用于民用目的的受控热核聚变,并一直持续到今天。在经过60年从以前的实验中做出设计改进之后,采用激光约束的国家点火装置(NIF)和采用磁约束的国际热核聚变实验反应堆(ITER)这两个主要项目的目标为在反应中产生的能量超过点燃反应所需要的能量。ITER还计划实现聚变“自持”。

核聚变基本原理
核聚变将诸如氢原子核一类的较轻的原子核结合形成较重的原子核。原子核带正电,故库仑力会阻碍原子核的结合。克服库仑势垒需要大量的能量。轻核所带的电荷少,因此它们聚变时需要克服的势垒越小,释放出的能量就越多。随着原子核质量的增加到一个临界点时,聚变反应所需克服的势能大于反应放出的能量,即没有净能量产生。这一临界点是铁-56。

氘核与氚核是核聚变的最佳燃料。它们都是氢原子核的重同位素。由于中子与质子比相对较高,它们的势垒也就较小。电中性的中子通过核力使得原子核中的核子紧密地结合在一起。氚核的中子与质子比(2个中子,1个质子)是稳定原子核中最高的。增加质子或减少中子都会使得克服势垒所需的能量变多。

一般条件下氘核与氚核的混合态不会产生持续的核聚变。由于核子之间的距离小于10fm才会有核力的作用,因此核子必须靠外部能量聚合在一起。就算在温度极高,密度极大的太阳中心,平均每个质子要等待数十亿年才能参与一次聚变。[1]要使聚变能够实际应用,原子核利用率必须大幅提升:温度提升到10的8次方K,或施加极大的压强。实现自持聚变反应并获得能量增益的关于密度和压强的必要条件就是劳森判据。这一判据自1950年代氢弹爆炸成功而闻名,而在地球上实现劳森判据十分困难。

核聚变科技起源
核聚变程序于1932年由澳洲科学家马克·欧力峰所发现。随后于1950年代早期,他在澳洲国立大学成立至今依旧活跃的等离子体核聚变研究机构(Australian Plasma Fusion Research Facility)。

条件
如果要进行核聚变反应,首先就必须提高物质的温度,使原子核和电子分开,处于这种状态的物质称为“等离子体”(plasma)。顾名思义,核力是一种非常强大的力量,而其力量所及的范围仅止于10−10~10−13米左右,当质子和中子互相接近至此范围时,核力就会发挥作用,因而发生核聚变反应。

但由于原子核带正电,彼此间会互相排斥,所以很难使其彼此互相接近。若要克服其相斥的力量,就必须适当地控制等离子体的温度、密度和封闭时间﹝维持时间﹞,此三项条件缺一不可。由于提高物质的温度可以使原子核剧烈转动,因此温度升高,密度变大,封闭的时间越长,彼此接近的机会越大。

由于等离子体很快就会飞散开来,所以必须先将其封闭。用来使等离子体封闭的方法有许多种,太阳内部是利用巨大重力使等离子体封闭,而在地球上则必须采取别的方法,磁场的利用便是其中一种。当等离子体带电时,电荷被卷在磁力线上,因此只要制造出磁场,就能够将等离子体封闭,使它们悬浮在真空中。

优点
相较于核裂变发电,核聚变产生的核废料半衰期极短(低管理成本、核泄漏时总危害较低、最多只有一公里内需要撤退)、安全性也更高(不维持便会停止反应)。如氘和氚之核聚变反应,其原料可直接取自海水,来源几乎取之不尽,因而是比较理想的能源取得方式。


D型环的托卡马克装置是最有希望达成的受控融合设计

核聚变也是一种中子源,借此可以触发核裂变。利用中子源来触发核裂变反应称为次临界核裂变,次临界核裂变不但安全性接近核聚变,且技术难度较核聚变发电低(若是把核聚变来当中子源触发核裂变发电,技术需求也会比仅使用核聚变的能量发电低),还可以处理核裂变发电造成的核废料及过多的原子弹、让这些核废料的半衰期由数万年缩短为数百年。

因此绝大多数的反核运动,都不反对核聚变。

进展
目前人类已经可以实现不受控制的核聚变,如氢弹的爆炸;也可以触发可控制核聚变,只是输入的能量大于输出、或发生时间极短。但是要想能量可被人类有效利用,必须能够合理的控制核聚变的速度和规模,实现持续、平稳的能量输出;而触发核聚变反应必须消耗能量(约1亿度),因此人工核聚变所产生的能量与触发核聚变的能量要到达一定的比例才能有经济效应。科学家正努力研究如何控制核聚变,但是现在看来还有很长的路要走。目前主要的几种可控制核聚变方式:激光约束(惯性约束)核聚变、磁约束核聚变(托卡马克)。

2005年,部分科学家相信已经成功做出小型的核聚变,并且得到初步验证。首个实验核聚变发电站将选址法国。

根据2014年2月12日英国科学期刊《自然》电子版,美国能源部所属国家研究机构劳伦斯利福摩尔国家实验室(英语:Lawrence Livermore National Laboratory)的研究团队首次确认,使用高功率激光进行的核聚变实验,从燃料所释放出来的能量,超出投入的能量。

2014年10月,洛克希德·马丁宣布发明小型核聚变反应堆,100兆瓦特反应堆缩小至7×10英尺大小,于1年之内能进行测试,10年内能正式运转。大部分科学家对此声明表示怀疑,其小型反应堆与世上任何反应堆构造都不同。

目前正在建设世界上最大的实验性托卡马克反应堆为法国南部的国际热核聚变实验反应堆,2016年12月央视报导中国率先研制成功最核心的核聚变材料部件,也就是必须承受过太阳温度的D型环内壁材质,[10]高达每平方米4.7兆瓦热量,由中核集团西南物理研究所研发,同月送往ITER工地测试。现阶段许多托卡马克装置能产生核聚变反应但只有很短瞬间就必须关停避免机组毁灭,所以只有实验研究价值没有实用性,内壁材质是托卡马克是否具有商用价值的关键,成为各国攻关的重点。

2018年11月,中国科学院等离子体物理研究所宣布在合肥综合性国家科学中心的EAST磁约束核聚变实验装置实现一亿度等离子体运行。

氘-氚 (D-T)的核聚变反应产生氦(He)与中子(n),期间释放出的核能,在核聚变发电中难度最低,是目前考虑中的未来主要能源。 质子-质子链反应是太阳和比太阳轻的恒星产生能量的主要方式。碳氮氧循环是比太阳重的恒星主要产能方式。 <

未来的核聚变发电

核聚变发电反应的比较

燃料中的氘是稳定同位素、可以由海水获得,氚的半衰期短、但可以用中子撞击锂-6来获得 ,氦-3可以是清洁核燃料,但地球的存量很少,必须要到月球或木星上透过宇宙采矿获取。

D-T反应及D-D反应都会产生中子,而这会让核聚变设施带有放射线,但这些核废料比核裂变发电造成的好处理多了;而反应温度更高的D-3He反应本身没有产生中子,但因为反应物包含D,因此会附带D-D反应、而产生中子;纯3He的反应则只会产生质子、质子可以用电场处理、而且还可以用来直接发电(类似燃料电池的方法),反应的原料更好取得,但第三代核聚变的技术难度又更高一截。


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