能使聚变反应持续进行下去-科学百科66期丨氢加热保持什么条件 (能使聚变反应的物质是)

文章编号：18889 / 更新时间：2024-03-05 16:47:31 / 浏览：次

本期为大家带来：《你知道吗——现代科学中的100个问题》本书是阿西莫夫的杰出作品之一。作者以通俗的语言，深入浅出地解了现代科学中的一百个尖端课题。其中，有些是了解现代科学技术所必须具备的基础知识，如科学的研究方法、二进制数、相对论、亚原子粒子核聚变、熵、晶体、病毒等。有些则是当代科学技术的前沿阵地，如黑洞、统一场论、夸克、快子、金属氢等。作者对这些问题的来龙去脉，它目前处在什么样的状态、有没有希望得到解决等问题均作了回答。

第六十六个问题：我们得把氢加热到多高的温度和保持这个温度多长的时间才能使聚变反应持续进行下去？当氢被加热到越来越高的温度时，它就会以越来越快的速率通过辐射丧失它的能量。另一方面，随着温度的继续，氢原子会失去它们的电子，只剩下裸露的原子核撞击在一起并发生聚变。当发生这样的聚变时，就会产生能量。这时，由于温度继续升便会通过聚变产生越来越多的能量。随着温度的上升，聚变所产生的能量的数量增加的速率，将大于通过辐射损失能量的速率。在某一个临界温度下，聚变所产生的能量正好同通过辐射损失掉的能量一样多。在这种条件下，温度将保持不变，因而聚变反应就会变成自持的。只要有更多的氢断供给这样一个系统，能量就会源源不绝地产生出来。

发生聚变所要求的温度随着氢的品种的不同而改变。最常见的是氢（H），它的原核是由一个质子构成的。然而还有重氢，即氘（D），它的原子核由一个质子和一个中子构成；还有一种放射性氢，氚（T），它的原子核由一个质子和个中子构成。在一定的温度下，氘的聚变所产生的能量比氢的聚变多，而氚的聚变所产生的能量还要更多。当只有氢发生聚变时，在一定温产生的能量太少了，因此，要在实验室中让这种反应持续进行下去，就要求温度超过摄氏十亿度。不错，在太阳的中心是氢在发生聚变，而那温度只有15,000,000℃，但是，在这样低的温度下，只有很小一部分氢参加聚变。但由于太阳上氢的数量极大，所以，尽管发生聚变的氢只占一部分，也已足以使太阳维持现有的辐射了。

当只由氚发生聚变时，为引燃这种反应所需要的温度是最低的，那只需要达到几百万。遗憾的是，氚是不稳定的，它在自然界中根本就不存在。在需要用到它时，必须在实验室里把它制造出来，因此，仅仅用氚是不可能使聚变反应以球上所需要的数量持续进行下去的。氘发生聚变的引燃温度是400,000,000℃。氘是稳定的，但数量很少。在6,700个氢原子当中，只有一个原子是氘。过，这就已经不算太少了。一升普通水中的氘发生聚变时，已足以产生出燃烧300升汽油所产生的能量了。达到必要温度的一个办法，是添进数量的氚，使它作为诱因去起作用。氘同氚的聚变只要在45,000,000℃就可以引燃了。如果这种反应稍稍进行一会儿，其余的混合物就会被加热到高的温度，因而可以引燃氘本身的聚变反应。这个温度所需保持的时间长度取决于氢的密度。每立方厘米中的原子越多，碰撞的次数也越多，引发生得越快。如果每立方厘米有1015个原子（约为普通大气每立方厘米所含分子数的万分之一），那么，就必须把这个温度保持2秒钟。当然度和温度越高，就越难使氘聚集在一起，尽管引燃聚变反应所需要的时间非常短暂。正因为这样，这些年来聚变系统一直在取得缓慢的改进，却仍然没有达到引燃的条件。

核聚变反应（热核反应）必须在多高的温度下才能进行

大约10万摄氏度的高温。核聚变反应主要借助氢同位素。核聚变不会产生核裂变所出现的长期和高水平的核辐射，不产生核废料，当然也不产生温室气体，基本不污染环境。聚变反应需要高温，一个聚变反应释放出的能量很少，也释放出一些中子，这种小规模的核聚变反应还是可以借助人为的方法避开高温获得的，但如果要是大量的，就必须热核反应，使聚变反应变成一个自持的反应，就是自己维持自己的反应，就像烧火一样，煤要烧起来的话，一部分燃烧了，这部分燃烧产生的能量又影响到另外一部分温度提高了，另一部分又燃烧了，能量越多，煤燃起来的就越来越旺。如果要实现核聚变发电，那么在核聚变反应堆中，第一步需要将作为反应体的氘-氚混合气体加热到等离子态，也就是温度足够高到使得电子能脱离原子核的束缚，让原子核能自由运动，这时才可能使裸露的原子核发生直接接触，这就需要达到大约10万摄氏度的高温。第二步，由于所有原子核都带正电，按照同性相斥原理，两个原子核要聚到一起，必须克服强大的静电斥力。两个原子核之间靠得越近，静电产生的斥力就越大，只有当它们之间互相接近的距离达到大约万亿分之三毫米时，核力（强作用力）才会伸出强有力的手，把它们拉到一起，从而放出巨大的能量。质量轻的原子核间静电斥力最小，也最容易发生聚变反应，所以核聚变物质一般选择氢的同位素氘和氚。氢是宇宙中最轻的元素，在自然界中存在的同位素有：氕、氘（重氢）、氚（超重氢）。在氢的同位素中，氘和氚之间的聚变最容易，氘和氘之间的聚变就困难些，氕和氕之间的聚变就更困难了。因此人们在考虑聚变时，先考虑氘、氚之间的聚变，后考虑氘、氘之间的聚变。重核元素如铁原子也能发生聚变反应，释放的能量也更多；但是以人类目前的科技水平，尚不足满足其聚变条件。为了克服带正电子原子核之间的斥力，原子核需要以极快的速度运行，要使原子核达到这种运行状态，就需要继续加温，直至上亿摄氏度，使得布朗运动达到一个疯狂的水平，温度越高，原子核运动越快。以至于它们没有时间相互躲避。然后就简单了，氚的原子核和氘的原子核以极大的速度，赤裸裸地发生碰撞，结合成1个氦原子核，并放出1个中子和17.6兆电子伏特能量。反应堆经过一段时间运行，内部反应体已经不需要外来能源的加热，核聚变的温度足够使得原子核继续发生聚变。这个过程只要将氦原子核和中子及时排除出反应堆，并及时将新的氚和氘的混合气输入到反应堆内，核聚变就能持续下去；核聚变产生的能量一小部分留在反应体内，维持链式反应，剩余大部分的能量可以通过热交换装置输出到反应堆外，驱动汽轮机发电。这就和传统核电站类似了。