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什么是核聚变?它可能吗?它重要吗?

关键点:
  • 核聚变是指两个轻质原子核结合在一起形成一个(比较重的)原子核,释放出巨大能量的过程。
  • 科学家们希望利用核聚变的能量,使我们的社会得以迈向真正的清洁能源。
  • 核裂变是将元素切割成若干部分,而核聚变是将两个元素结合在一起。核聚变涉及重元素,而核裂变涉及轻元素。

核聚变将两个原子核结合在一起,创造出大量能量。

©andrey suslov/shutterstock.com

如今,化石燃料和放射性废料对我们的地球环境构成严重威胁,因此人们越来越多地谈论清洁、可再生和可持续能源。我们可以从越来越多的家庭和企业安装的太阳能电池板、越来越多的电动汽车在道路上行驶,以及风力发电场在我们国家的农田中继续扩散等方面看到这一点。然而,所有这些都远远不够。当我们有能力利用太阳和星星中的能量时,这一切都不足为奇。

这听起来令人匪夷所思,但却完全可行。事实上,阿尔伯特·爱因斯坦及其方程式e=mc2证明了这一点。它被称为核聚变,正如您可能从方程式中了解到的那样,它涉及从元素质量的变化中产生能量。与核裂变不同,质量减少,核聚变涉及质量增加。然而,这并不像在太阳或星星中安装一个电源插座那么简单。这也不是解决一个简单方程的问题。核聚变的关键是更难解决的问题。但是它究竟是什么?它是否可能?为什么它很重要?

核聚变的解释

核聚变是指两个轻质原子核结合在一起形成一个(比较重的)原子核,释放出巨大能量的过程。它发生在等离子态,这是一种与传统固体、液体和气体不同的物质状态。相反,等离子体以高温气体为特征,由正离子和自由移动的电子组成。

核聚变不仅仅是一个概念,在我们的自然世界中是存在的。事实上,太阳和宇宙中的星星都以核聚变为定义。例如,太阳的核心在超过1000万摄氏度的温度下相互碰撞。这为太阳核心提供了所需的能量,以克服正电离子之间的固有电斥力。在1000万摄氏度的温度下,太阳的核心可以开始克服这种电斥力,开始合并为一体。(核心被困在一个小空间,这有效地增加了它们碰撞的几率。)

在地球上,核聚变比在太阳上困难得多。这是因为太阳比我们的星球大得多,这意味着恒星的引力将核聚变所需的温度保持得比地球低。相反,由于我们比太阳小,因此我们需要更高的温度来实现核聚变。这就是问题所在。幸运的是,全世界的科学家正在不知疲倦地努力解决这个问题。

核聚变与核裂变的区别

常常混淆,核聚变和核裂变在以下方面有着明显的区别:聚变将元素结合在一起,而裂变将它们分离。

©vectormine/shutterstock.com

虽然核聚变和核裂变听起来差不多,但它们之间有一些关键的区别,使它们成为非常独特的概念。虽然聚变和裂变都是核能的形式,但裂变涉及将元素分割成部分,而聚变涉及将两个元素结合在一起。聚变还涉及重元素,而裂变涉及轻元素。

在聚变和裂变中,核的变化会释放大量能量。此外,这两种反应都会使反应物核的大小朝着更高的结合核的方向发生变化。然而,聚变释放的能量总量与裂变不同。具体来说,核聚变生成的能量比核裂变多得多。

另一个关键差异在于,裂变产生不稳定的核,而聚变不会产生任何持久的放射性废物。裂变产生的放射性废物可能在数百万甚至数亿年内保持放射性,而聚变的放射性废物由于其短暂的半衰期而迅速消失。核聚变还产生更多的氦而不是辐射。 (这是一种完全安全的气体,不会构成任何真正的威胁。)

核聚变的历史

对核聚变起源和科学的研究最早始于20世纪早期-具体来说是20世纪20年代和30年代。科学家们想知道恒星如何能够发光。不久之后,这就发展成了对物质和能量的更广泛和更具冒险性的探索。科学家们开始超越星球,看到了更大的画面:使这些恒星发光的东西有潜力彻底改变战争、能源、交通和甚至太空探索的动力来源。

1932年,剑桥大学的约翰·科克科罗夫特和欧内斯特·沃尔顿首次使用粒子加速器进行核实验。不久之后,他们进行了人类的第一次裂变。为了完成这一人造成就,科克科罗夫特和沃尔顿从加速器中取出质子,用它们来将锂分解成α粒子。完成这一步骤后,他们使用粒子加速器将氘离子射击到一系列靶标上。这导致了氦离子和氚离子的第一次人造聚变。

美国和欧洲对核聚变的实验在30年代、40年代乃至50年代一直持续进行。日本、苏联、瑞典和法国也参与其中,希望找到一种新的发电方式。这种广泛的实验导致了许多其他的发现,比如激光、热核武器和磁镜。从1960年代到今天,无论是私人还是公共研究都以极快的速度继续进行。然而,至今没有人知道如何突破人造核聚变。

由于太阳和星星比地球大得多,它们的引力有助于促进核聚变,这是我们在地球上无法实现的。因此,科学家必须将氢原子的温度提高到甚至比太阳更高的温度 —— 至少数亿摄氏度。研究人员已经尝试了各种各样的工具来提高温度,但仍未成功。这些工具包括从射线到微波到激光等各种工具。请放心,他们会一直努力下去,直到成功为止。潜在的好处远远超过了停止努力的理由。

在太阳的核心,氢被转化为氦。

©42videography/shutterstock.com

核聚变的优势和劣势

优势

  • 如果成功,核聚变发电厂将比我们目前的能源来源便宜得多。
  • 核聚变发电厂产生的能量量远远超过今天其他方式产生的能量。
  • 该过程非常可持续。
  • 它几乎没有环境污染的风险。

劣势

  • 人类尚未成功实现核聚变。
  • 尽管产生的放射性废物要少得多,但仍然会产生放射性废物。
  • 一旦成功实现,核聚变有可能被用于伤害。

核聚变是能源的未来吗?

科学家希望利用核聚变的能量,以便我们作为一个社会最终开始向真正的清洁能源迈进。事实上,核聚变的反应比核裂变的反应强四倍。这意味着核聚变有可能成为我们物种能源的未来。

已经开始计划建造核聚变反应堆,尽管不确定它们将如何或何时实现。科学家知道这些核聚变反应堆将需要从氚和氘(这是氢的两种最重的形式)的组合中获取能量。如果成功,这种组合和它所能创造的巨大能量会让人眼花缭乱。理论上,这些计划中的核聚变反应堆有可能仅用几克氚和氘就能产生惊人的兆焦能量。(这相当于单个人一生的能量。)

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