實現人造太陽計劃(一)——從核裂變到核聚變的原理變化及技術挑戰

2021-01-08 網易

2020-04-23 00:01:33　來源: 科學觀世界

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　　人類目前對能源的需求越來越大，傳統能源不僅存在高汙染，而且面臨能源枯竭的問題。在人類目前所發現的能源中，核能的能量密度是最大的，而核能的利用又分為核裂變和核聚變。利用核裂變的原理，人類製成了原子彈，利用核聚變原理，人類生產出了氫彈。從這兩種核武器所釋放出來的威力，我們就能看到核能的能量之大。通過愛因斯坦發現的質能方程E=MC我們也能計算出物質所包含的巨大能量。能順利的獲取到這個能量或許能夠永遠地解決人類的能源危機。那麼接下來我將對主要針對核能的原理以及利用核聚變實現「人造太陽計劃」的科學原理以及技術製造做一個系列的詳細講解。

核裂變與核聚變的簡要概述

　　核裂變

　　物質是由原子構成的，原子又包含原子中心的原子核和包圍原子核的電子，原子核又是由質子與中子構成，質子與中子基本上佔據了整個原子核的全部質量。

　　

　　原子結構

　　核裂變的原子需要質量較大的原子作為原料（主要是指鈾核U或鈽核Pu），由於原子核內含有的質子與中子數較多，原子核較大，結構並不是很穩定，因此，在外界使用一個高速的中子對原子核進行撞擊時，原子核會分裂產生兩個甚至更多的原子核，同時釋放出兩到三個能量非常大的中子，釋放的中子繼續撞擊其它相鄰的原子，從而產生鏈式反應。在這個反應的過程中同時伴隨著巨大的能量變化。

　　

　　核裂變的能量非常大，目前在應用方面主要是製造原子彈和核電站。原子彈的應用就暫且不談，並且在二戰過程中，我們也見識過它的威力。我們主要將核能作為能源的利用。核裂變技術目前還是比較成熟，並且早在幾十年前人類就已經利用核裂變產生的核能用於發電，世界上第一座核電站在1954年6月27日在前蘇聯建成。當時成為人類和平利用原子能的成功典範。

　　

　　世界上第一個核電站

　　那麼既然核裂變技術已經能夠為人類產生巨大的能源了，為什麼不大力發展，而還要花上巨大的資金研究核聚變發電，這其中就有很多核裂變使用過程中非常令人頭痛的問題：

　　

　　核裂變的原料都是一些原子量非常大的元素，而自然狀態下，這些元素的含量非常低，原料十分有限，並且核裂變需要的是高濃度的材料，從天然物質中提取這些元素也需要耗費大量的能源，當年居裡夫人為了得到高純的鐳，在幾十噸的礦石中僅提取出零點零幾克。因此，原材料是其中一個問題。

　　

　　2.容易產生核輻射，危害人類以及生態健康

　　由於這些重型元素非常不穩定，即使沒有外界能量的輸入，也會自發地進行衰變，也就是產生核輻射，這種變化會對人類的身體健康以及自然生態產生巨大的傷害。在核裂變的產物中，依舊存在輻射作用，因此產生的核廢料非常難處理，即使是填埋對環境也會造成嚴重的汙染。核電站的核洩漏也是一大安全隱患。

　　

　　衰變過程

　　因此，人類在逐漸的向另一種核能——核聚變能源進行研究，核聚變的作用原理與核聚變過程剛好相反，核裂變是分裂，核聚變是聚合。

　　核聚變

　　核聚變是由質量較小的原子在超高溫和高壓條件下發生碰撞從而在強相互作用下吸引而發生聚合，在這個過程中也會釋放出巨大的能量。那有些人就會產生疑惑，上面的裂變釋放能量，為什麼聚變也放出能量，這個過程不是相反的嗎？那麼這裡就存在一個原子核能量的問題。

　　

　　四大基本作用力

　　質子是帶正電的，因此質子之間由於電磁力會相互排斥，這個時候，中子在質子之間起著「緩和」的作用，質子與中子之間存在強相互作用力，這個作用力是非常強的，並且只在很短的距離內發生作用，於是，在質子之間的排斥力就會與強力存在平衡，於是原子核變緊緊的束縛在一起，因此，不同原子核處於不同的能量狀態，從這個能量的曲線我們可以知道所有元素中鐵是最穩定，意味著鐵原子攜帶的能量最低，也就是核子的平均質量最小，這個時候如果繼續增大質量，質子數變多，半徑變大，強力的作用變弱，而質子之間的作用力變強，這個斥力就有可能大於強力作用，從而導致原子核不穩定，能量變高。因此輕元素的聚變、重元素的裂變都可以釋放出能量。

　　

　　了解了聚變與裂變的能量變化規律，那麼繼續了解聚變的基本過程。

　　核聚變一般使用輕原子核，如氘和氚，這兩個原子核進行聚合之後，會產生一個氦核和一個中子。並且釋放17.6MeV的能量，核聚變反應最大的特徵就是能產生巨大的能量，在相同質量下，產生的能量是石油的近800萬倍。1g核聚變發電的「燃料」幾乎能夠產生8噸石油燃燒的能量。

　　

　　核聚變過程

　　太陽就是一個核聚變的大鍋爐，太陽基本上是由氫元素構成的一個天體，內部的溫度極高，不斷地發生著聚變反應，產生極大的壓力，然而太陽的質量也非常大，因此也會產生很大的引力，這個內部壓力與向內的引力保持著平衡，從而不會讓太陽發生炸裂，核聚變反應也因此能夠持續穩定的不斷發生。

　　

　　內部高溫產生的壓力與引力平衡

　　人類想要利用核聚變發電，就相當於要先建造一個「人造太陽」，這是能量的來源。實現核聚變的原材料是氘核和氚核，這些原材料在地球上幾乎是無限的，直接在水中就能夠提取到。與裂變相比，聚變基本不存在失控現象的發生，這是因為聚變是要高溫高壓條件才可以進行，而這些條件我們很容易進行改變，從而能使反應隨時終止。因此，相比於核裂變發電，核聚變具備更多的優勢。

　　

　　氕、氘、氚原子核

總結

　　通過以上的分析，我們了解了核聚變與核裂變的詳細原理，核裂變相對來說，實現更為簡單。而要達到實現核聚變的條件，對技術以及設備要求非常高。人類利用核聚變的第一步就是製造出一個「人造太陽」，那麼這個「人造太陽計劃」的下一個過程是怎麼樣的，接下來此系列將會繼續一步一步詳細講解。

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