人类研究可控核聚变使用的是氚–氘,可以使用其他元素吗?

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艾伯史密斯
2020-05-03 · 探索讨论科学问题,坚持客观严谨态度!
艾伯史密斯
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理论上任何低于铁的元素都可以进行核聚变反应,并释放大量能量,但是目前人类引发核聚变的手段,主要靠提高温度,在所有核聚变当中,氢元素的核聚变反应所需温度最低,其中又以氘-氚的聚变最容易实现。

  核聚变所需条件

  根据爱因斯坦的质能方程,元素的平均核子质量决定了元素的聚变或者裂变方向,在所有元素当中,铁元素的平均核子质量是最低,所以低于铁的元素,理论上都可以聚变。

  

  但是各种元素发生聚变的条件不一样,这些条件包括温度、压力、等离子体温度、约束时间等等,人类目前的技术手段,主要靠提高温度来点燃聚变反应,其中氢元素的核聚变反应所需温度最低,大约需要1亿度,太阳内部的压力超过1000亿个大气压,在这样的超高压条件下也需要700万度。

  

  相比之下,其他元素的核聚变条件更高,比如在大质量恒星的内部,拥有比太阳内部更高的压力,其中碳的核聚变需要大约2亿度,氖的核聚变需要10亿度,氧的核聚变需要20亿度,硅的核聚变需要30亿度。

  在地球上,元素丰度排行依次为氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁、氢、碳、氮……,虽然氧和硅是地球上最多的元素,但是要让其发生核聚变所需温度太高,现阶段人类根本无法实现。

  

  目前人类使用托卡马克装置,能稳定且持续达到的极限温度是2亿度,而且还是在压力不高的情况下,根本无法点燃重元素的核聚变反应;如果不考虑反应温度,那么人类世界就能像《流浪地球》中的那样,烧石头就能获取源源不断的能源。

  为何是氘-氚,而不是氢的其他同位素组合?

  氢元素一共有三种同位素,也就是氕(H)、氘(D)、氚(T),氕核是独立的质子,理论上氕核与氕核也能聚变,然后生成氘核,反应方程式为:

  H1+H1→D2+e(+)+ν,Q=1.442Mev;

  

  但是氕核带正电,要让两个氕核结合起来并不容易,对于氘核和氚核来说,由于多了中子,中子起了缓和作用,使得D-D,D-T的结合更加容易,由于氚核比氘核还多一个中子,所以D-T的结合比D-D更容易,反应截面更大,核聚变所需温度也就更低。

  理论上T-T的组合也可以,但是氚核在自然界的丰度为0.004%,氘核的丰度为0.016%,氘核是稳定元素,氚核半衰期为12.43年,制造氚核的成本比氘核高很多很多,而且还不易储存。

  实际情况

  人类研究核聚变已有几十年的时间,要实现可控核聚变还有很多技术有待攻克,实际考虑的情况也更为复杂,比如我们可以利用D-T生成高能中子,然后高能中子撞击锂结合生成氚核,可用于补充价格昂贵的氚。

  

  对于人类而言,最理想的核聚变材料是氦-3,氦-3的聚变过程不会产生辐射,而且释放能量也比较高,聚变所需温度也在人类能实现的范围内,反应方程式为:

  He3+He3→He4+2H1,Q=12.86Mev;

  但是氦-3在地球上的含量极低,据估计,全球可开采的氦-3仅仅半吨,但是在月球上,可开采的氦-3高达100万吨以上,所以有些资料说,月球上最宝贵的资源就是氦-3。

  冷核聚变神话

  冷核聚变技术,是指在接近常温的情况下实现核聚变反应,类似《钢铁侠》中盔甲胸前的方舟反应炉,虽然历史上有不少宣称实现冷核聚变的例子,但是无一例外都被否定了,其中最著名的是1989年的“弗莱西曼-庞斯实验”。

  

  在2015年,Google提供1000万美元,召集了大约30位科学家,试图重现弗莱西曼-庞斯实验,经过多年的研究后,科学家在2018年宣布研究结果为“冷核融合的证据不足”,基本上就是宣布了冷核聚变的死刑。

木林森活性炭江苏有限公司
2023-07-20 广告
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林少的力学
2020-05-12
知道答主
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氘氚是热核聚变温度最低的组合,别的组合需要温度更高。但冷核聚变可以用任何低于铁的元素。
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2020-05-08 · TA获得超过3.8万个赞
知道答主
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人类研究可控核聚变也可以使用其他元素,只不过目前的科学技术还未达到这个程度,使用其他元素达到可控核聚变还是一个漫长的过程。
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金宇学长
2020-05-06 · 钱难挣,屎难吃,月月透花呗。
金宇学长
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理论上任何低于铁的元素都可以进行核聚变反应,但是目前人类引发核聚变的手段,而氘-氚的聚变最容易实现。
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青百123

2020-05-06 · TA获得超过2840个赞
知道小有建树答主
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绝对不能够用其他的物质元素来代替,如果代替的话就可以发生爆炸。
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