聚變

聚變

聚變反應: 除了重原子核鈾235、鈈239等的裂變能釋放核能外,還有另一種核反應,即輕原子核(氘和氚)結合成較重的原子核(氦)時也能放出巨大能量,反應式為:H-2+H-3===He-4+n 或 D+T===He+n

  • 中文名稱
    聚變
  • 拼音
    jù biàn
  • 註音
    ㄐㄨˋ ㄅㄧㄢˋ

原理

核聚變的原理是:在標準的地面溫度下,物質的原子核彼此靠近的程度隻能達到原子的電子殼層所允許的程度。因此,原子相互作用中隻是電子殼層相互影響。要使原子核之間發生聚變必須讓它們之間的距離達到10^-15米,核力才能起作用,但由于原子核都帶正電,它們之間存在著強大的庫倫斥力,原子核之間距離大于10^-15米時庫倫斥力大于核力;小于10^-15米時核力大于庫倫斥力。普通手段無法達到這一苛刻要求。隻有當參加聚變反應的原子核具有足夠的動能時,才能克服庫倫斥力而彼此靠近從而使核力大于庫倫力,使核力產生作用。提高反應物質的溫度,就可增大原子核動能。因此,聚變反應對溫度極其敏感,在常溫下其反應速度極小,隻有在1400萬到1億攝氏度的絕對溫度條件下,反應速度才能達到足以實現自持聚變反應。所以這種將物質加熱至特高溫所發生的聚變反應又叫作熱核反應,由此做成的聚變武器也叫熱核武器。要得到如此高溫高壓,隻能由裂變反應提供。氫彈能爆炸就是由核子彈爆炸的高溫引起的,熱核反應一旦發生就不再需要外界給它能力,靠自身的反應熱就足以將反應持續下去。科學家也已研究出了其他一些方法,比如:用多束雷射照在同一個點上,就可以產生出超高溫等等。利用聚變反應的另一大問題就是,沒有可以用來盛放聚變反應的物質,地球上的物質都會在高溫下熔化,科學家構想可能可以用磁場來束縛熱核反應。由于聚變反應的輻射污染,比裂變要小得多,而且聚變反應的原料儲量十分巨大,就在海洋中,所以科學家還在不斷探索當中。

反應材料

熱核材料:核聚變反應一般隻能在輕元素的原子核之間發生,如氫的同位素氘和氚

氫彈氫彈

  氫彈

,它們原子核間的靜電斥力最小,在相對較低的溫度(近千萬攝氏度)即可激發明顯的聚變反應生成氦,而且反應釋放出的能量大,一千克聚變反應裝葯放出的能量約為核裂變的七倍。但在熱核武器中不是使用在常溫下呈氣態的氘和氚。氘採用常溫下是固態化合物的氘化鋰,而氚則由核武器進行聚變反應過程中由中子轟擊鋰的同位素而產生。1942年,美國科學家在研製核子彈過程中,推斷核子彈爆炸提供的能量有可能點燃氫核引起聚變,並以此製造威力比核子彈更大的超級彈。1952年1月,美國進行了世界上首次代號“邁克”的氫彈原理試驗,爆炸威力超過1000萬噸當量,但該裝置以液態氘作熱核材料連同貯存容器和冷卻系統重約65噸,不能作為武器使用,直到固態氘化鋰作為熱核裝料的試驗成功,氫彈的實際套用才成為可能。中國于1966年12月28日成功進行了氫彈原理試驗,1967年6月17日,由飛機空投的300萬噸級氫彈試驗圓滿成功。

氘氚聚變

在氫的同位素中,氘和氚之間的聚變最容易,所以人們將氘和氚稱為聚變核燃料。氘和氘之間的聚變就困難些,氕和氕之間的聚變就更困難了。因此人們在考慮聚變時,先考慮氘、氚之間的聚變,後考慮氘、氘之間的聚變。由于氚的半衰期隻有12.26年,所以在地球誕生之初的氚早已衰變的無影無蹤,自然界中的氚,是宇宙射線的產物,隻有幾千克。所以聚變用的氚要人工製造,製造比較困難,一般不考慮氚、氚聚變。

多樣性

其實不一定隻有像氘、氚這種輕核才能發生聚變反應,排在鐵之前的元素也能反應釋放出巨大的能量,但反應所要求的條件更加苛刻,例如氦核聚變就需要一億度以上的溫度及比氫核聚變更大的壓力。這類重核聚變通常發生在大恆星的中後期,如恆星晚期演變成紅巨星的同時,核心也會進一步壓縮,提供了更加高的溫度和壓力,以供重核聚變。但當去到鐵核時,情況有所不同,鐵核或以後的元素聚變需要吸收能量,這種聚變如果發生在恆星的內部,則會導致恆星內部的壓力不平衡(核聚變釋放的能量向外輻射時給恆星外層物質提供輻射壓力,用以抵抗重力,從而停止恆星的收縮),恆星因此會坍塌甚至解體。至于鐵以後的元素的合成,則是通過新星或者超新星爆炸的方式合成,並不是由穩定的恆星合成的。

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