核聚变

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太阳主序星,通过原子核的核聚变产生能量,把原子聚变成原子。在它的核心,太阳发生以每秒钟6.2億吨氢的核聚变.

核聚变,又称核融合融合反应聚变反应,是将两个较轻的结合而形成一个较重的核和一个很轻的核(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”恆星提供能量的过程。

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

舉個例子:两个質量小的原子,比方說,在一定条件下(如超高温和高压),會发生原子核互相聚合作用,生成中子-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,原子核之淨质量变化(反應物與生成物之質量差)造成能量的释放。如果是由重的原子核变化为轻的原子核,稱為核裂变,如原子弹爆炸;如果是由較轻的原子核变化为較重的原子核,稱為核聚变。一般來說,這種核反應會終止於,因為其原子核最為穩定。

在20世纪50年代,发展用于民用目的的受控热核聚变开始被认真地研究,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,国家点火装置国际热核聚变实验反应堆這两个主要项目的目標為在反应中产生的能量超過点燃反应所需要的能量。

核聚变基本原理[编辑]

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-56。

核与核是核聚变的最佳燃料。它们都是原子核的重同位素。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。

一般条件下核与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:温度提升到数千万度,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[2][3]

核融合科技起源[编辑]

核融合程序於1932年由澳洲科學家馬克·歐力峰英语Mark Oliphant所發現。隨後於1950年代早期,他在澳洲國立大學成立至今依舊活躍的電漿核融合研究機構(Australian Plasma Fusion Research Facility)。

條件[编辑]

如果要進行核聚變反應,首先就必須提高物質的溫度,使原子核和電子分開,處於這種狀態的物質稱為「電漿」﹝plasma﹞。顧名思義,核力是一種非常強大的力量,而其力量所及的範圍僅止於10^(-10)~10^(-13 )米左右,當質子和中子互相接近至此範圍時,核力就會發揮作用,因而發生核聚變反應。

但由於原子核帶正電,彼此間會互相排斥,所以很難使其彼此互相接近。若要克服其相斥的力量,就必須適當地控制電漿的溫度密度封閉時間﹝維持時間﹞,此三項條件缺一不可。由於提高物質的溫度可以使原子核劇烈轉動,因此溫度升高,密度變大,封閉的時間越長,彼此接近的機會越大。

由於電漿很快就會飛散開來,所以必須先將其封閉。用來使電漿封閉的方法有許多種,太陽內部是利用巨大重力使電漿封閉,而在地球上則必須採取別的方法,磁場的利用便是其中一種。當電漿帶電時,電荷被捲在磁力線上,因此只要製造出磁場,就能夠將電漿封閉,使它們懸浮在真空中。

優點[编辑]

相較於核裂变發電,核聚变產生的核廢料半衰期極短(低管理成本、核洩漏時總危害較低、最多只有一公里內需要撤退)、安全性也更高(不維持便會停止反應)。如之核融合反應,其原料可直接取自海水,来源几乎取之不尽,因而是比較理想的能源取得方式。

核融合也是一種中子源,藉此可以觸發核分裂。利用中子源來觸發核分裂反應稱為次臨界核分裂,次臨界核分裂不但安全性接近核融合,且技術難度較核融合發電低(若是把核融合來當中子源觸發核分裂發電,技術需求也會比僅使用核融合的能量發電低),還可以處理核分裂發電造成的核廢料及過多的原子彈、讓這些核廢料的半衰期由數萬年縮短為數百年。

因此絕大多數的反核運動,都不反對核融合。

進展[编辑]

目前人类已经可以实现不受控制的核聚变,如氢弹爆炸;也可以觸發可控制核融合,只是輸入的能量大於輸出、或發生時間極短。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;而觸發核融合反應必須消耗能量(約1億度),因此人工核融合所產生的能量與觸發核融合的能量要到達一定的比例才能有經濟效應。科學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:超声波核聚变、激光约束(惯性约束)核聚变、磁约束核聚变托卡马克)。

2005年,部份科學家相信已經成功做出小型的核聚变[4],並且得到初步驗證[5]。首個實驗核聚变發電站將選址法國[6]

根據2014年2月12日英國科學期刊《自然》電子版,美國能源部所屬國家研究機構LLNL(Lawrence Livermore National Laboratory,勞倫斯利福摩爾國家實驗室)的研究團隊首次確認,使用高功率雷射進行的核融合實驗,從燃料所釋放出來的能量,超出投入的能量。[7]

2014年10月,洛克希德馬丁宣布發明小型核融合反應爐,100兆瓦特反應爐縮小至7x10英呎大小,於1年之內能進行測試,10年內能正式運轉[8]。大部分科學家對此聲明表示懷疑,其小型反應爐與世上任何反應爐構造都不同。

未來的核融合發電[编辑]

核融合反應速度會一直與溫度一起上升,直到最大反應速率溫度後、逐漸下降。DT反應速度峰值的溫度是最低的(約70 keV或八億度k),and at a higher value than other reactions commonly considered for fusion energy.
核融合發電反應的比較[9][10][11][12][13]
反應物 產物 Q n/MeV
第一代核融合發電燃料
21H + 21H (D-D) 32He + 10n 3.268 MeV 0.306
21H + 21H (D-D) 31H + 11p 4.032 MeV 0
21H + 31H (D-T) 42He + 10n 17.571 MeV 0.057
第二代核融合燃料
21H + 32He (D-3He) 42He + 11p 18.354 MeV 0
第三代核融合燃料
32He + 32He 42He+ 211p 12.86 MeV 0
115B + 11p 3 42He 8.68 MeV 0
(D)融合總反應 (前四行反應的總和)
6D 2(4He + n + p) 43.225 MeV 0.046
目前最常用的核燃料
235U + n 2 核分裂產物+ 2.5n ~200 MeV 0.001

燃料中的是穩定同位素、可以由海水獲得,半衰期短、但可以用中子撞擊來獲得,氦3可以是清潔核燃料,但地球的存量很少。

D-T反應及D-D反應都會產生中子,而這會讓核融合設施帶有放射線,但這些核廢料比核分裂發電造成的好處理多了;而反應溫度更高的D-He3反應本身沒有產生中子,但因為反應物包含D,因此會附帶D-D反應、而產生中子;純He3的反應則只會產生質子、質子可以用電場處理、而且還可以用來直接發電(類似燃料電池的方法),115B + 11p反應的原料更好取得,但第三代核融合的技術難度又更高一截。

参见[编辑]

参考文献[编辑]

  1. ^ FusEdWeb | Fusion Education. Fusedweb.llnl.gov. [2013-10-11]. 
  2. ^ 杨福家. 原子物理学. 高等教育出版社. 2008: 376. ISBN 978-7-04-022994-3. 
  3. ^ http://www.scienceworldreport.com/articles/5763/20130323/lawson-criteria-make-fusion-power-viable-iter.htm
  4. ^ Robert Nigmatulin. Nano-scale thermonuclear fusion in imploding vapor bubbles. ScienceDirect. 2005年2月16日 [2010年2月6日]. 
  5. ^ Emil Venere. Purdue findings support earlier nuclear fusion experiments. Purdue University. 2005年7月12日 [2010年2月6日] (英文). 
  6. ^ France wins bid for world first fusion plant. Xinhua.net. 2005年6月28日 [2010年2月6日] (英文). 
  7. ^ 美首次實證雷射核融合 放出超量能量. 新頭殼newtalk. 2014.02.13. 
  8. ^ Lockheed says makes breakthrough on fusion energy project, Reuters, 15 October 2014, Andrea Shalal
  9. ^ Inertial Electrostatic Confinement Fusion. [2007-05-06]. 
  10. ^ Nuclear Fission and Fusion. [2007-05-06]. (原始内容存档于2007-04-04). 
  11. ^ The Fusion Reaction. [2007-05-06]. 
  12. ^ John Santarius. A Strategy for D – 3He Development (PDF). June 2006 [2007-05-06]. 
  13. ^ Nuclear Reactions. [2007-05-06].