人类研究可控核聚变使用的是氚–氘,可以使用其他元素吗?
太阳内部进行核聚变的元素是氢( protium)。太阳的核心非常热,达到了1500万摄氏度,足够热使得氢原子核(质子)能够克服它们之间的斥力,并融合成氦原子核。
关于为什么人类研究可控核聚变不能利用氕(氢的同位素),主要原因是氕核聚变速度很慢,需要极高的温度才能发生,并且难以控制。相比之下,氘(重氢)或氚(超重氢)在较温和的条件下就可以发生聚变,因此更受可控核聚变研究的青睐。
核能包括裂变能和聚变能两种主要形式.裂变能是重金属元素的质子通过裂变而释放的巨大能量,目前已经实现商用化.因为裂变需要的铀等重金属元素在地球上含量稀少,而且常规裂变反应堆会产生长寿命放射性较强的核废料,这...
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。
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。
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。
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。
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。
可控核聚变的重要性有哪些?
而地球将在这种高效的发展趋势下,积累更多的其它资源供人类未来使用。4、掌握可控核聚变,改变世界格局。由于能源的改变,地球能源格局将受到清洗,因战争而发生抢夺资源的情况将不再发生,而战争的减少将使世界人民更加和谐、团结。精神的愉悦和科技的高速发展,整个地球将得到极大升华,诸如此类问题简直罗列...
核聚变是不是人类在这个地球上唯一能让我们离开星系的能源?为什么?_百...
星系?不知道题主所说的星系究竟是太阳系还是银河系?太阳系和银河系是两种宇宙尺度结构,前者的半径最多只有3光年,而后者至少可达5万光年。如果我们想要飞出太阳系,利用核聚变产生的能量可以做到。目前人类正在研究可控核聚变技术,一旦有了实质性的突破,到时不仅能够解决能源危机问题,也能使我们在太空...
什么是可控核聚变,可控核聚变是否真的有传说中那么美好?
其次,核裂变反应具有极强的放射性,安全风险极大,一旦泄露后果不堪设想。最后,整体效益不高。为了控制裂变,由于大量的冷却设备,反应释放的热量被浪费了,而且核聚变的产量也比裂变高。那么,要怎样才能使核聚变变得可控呢?为了实现核聚变,你需要高温和高压来把电子从原子核上拉开,并且需要高压来使...
如果科学技术一旦取得突破,人类文明会进入高度发展阶段吗?
人类历史上的重大科技突破将推动人类文明的快速进步。人们认为受控核聚变的技术发展可以推动文明的不断进步。现在人类研究的氘氚聚变,可以推动人类文明向更高的方向发展。我们都知道能源的短缺制约着人类的发展,人们也在不断研究替代的清洁能源,希望能找到更多的新能源。人们所熟悉的可控核聚变技术,能够...
如果人类实现了可控核聚变,那么我们能走出银河系吗?
银河系的直径是20万光年,中心厚度1.2万光年,人类的核聚变飞船也需要几十万年甚至几百万年才能飞出银河系,暂且不说核聚变能源够不够,单单是这几十万年的各种食物和水就是一个天文数字,因此人类除了可控核聚变还需要足够强健的人造生态循环系统才行,或者直接研究人体冬眠技术。如果考虑到核聚变的...
如果人类能够完成可控核聚变的研究,可以应用在哪些方面呢?
核聚变主要应用的地方是武器,以及能源上,还可以使用在航空领域,以及潜艇方面。什么是可控核聚变?可控核聚变的必要标准非常严格。太阳依靠核聚变反应为太阳系产生光和热,其核心温度达到1500万摄氏度。此外还有很大的工作压力可以使核聚变的所有正常反射,而地球上没有很大的工作压力。只能根据温度的升高来...
可控核聚变谁能成功,谁就比爱因斯坦还厉害吗?
如能使热核反应在一定约束区域内,根据人们的意图有控制地产生与进行,即可实现受控热核反应。这正是在进行试验研究的重大课题。受控热核反应是聚变反应堆的基础。聚变反应堆一旦成功,则可能向人类提供最清洁而又是取之不尽的能源。冷核聚变是指:在相对低温(甚至常温)下进行的核聚变反应,这种情况是...
中国研究出可控核聚变了吗
目前中国尚未研究出可控核聚变技术。简介:核聚变是一种能源产生方式,通过将轻元素融合成更重的元素释放出巨大能量。可控核聚变是指能够在可控条件下使聚变反应持续进行的技术,被认为是未来清洁能源的希望之一。核聚变的挑战:要实现可控核聚变技术并不容易,因为它面临着多个困难。首先,要在高温高密度等...
可控核聚变核聚变的优点
另一种方法是惯性约束法,它通过聚焦激光或粒子束对小球内的氘和氚进行压缩,达到高温引发聚变。然而,现有技术的激光功率远未达到理想水平,存在技术难题,使得这种方法的实用化还遥不可及。尽管受控热核聚变的实现之路充满挑战,但其潜在的巨大能源潜力和环境优势使其成为科学家们不懈追求的目标。各国科学...
不可控核聚变和可控核聚变关系
链式反应对应的是核裂变过程,是重核受中子轰击发生裂变后再释放出中子,中子再轰击其他重核发生裂变再次释放中子,引发像一串鞭炮那样的链式反应。核聚变反应产生的能量巨大,一旦失控会照成毁灭性的伤害,所以在这方面的研究和开发一般都相对谨慎,只有在可控核聚变理论和技术成熟之后才能进行实验。
宗政秒洛威: 氘,不容易衰变,存在于地球海水当中,因为比氢多一个中子是人工核聚变最理想的原料.但是,氘氘聚变反应剧烈,温度要求很高,只适合做最初的氢弹,直到后来发现了锂6,使用氘化锂做氢弹更为理想.当人类希望可控核聚变实验发电的时候,依据氢弹原理,氘氚聚变成为当前可控核聚变主流,但是,月球氦3也是最理想的聚变燃料只是不容易取得而已.
海勃湾区13924237492: 核聚变问题 - ?
宗政秒洛威: 氘核(重氢)、T是氚核(超重氢).简单的回答:根据爱因斯坦质能方程E=mc2. 原子核发生聚变时,有一部分质量转化为能量释放出来. 只要微量的质量就可以转化成很大的能量. 两个轻的原子核相碰,可以形成一个原子核并释放出能量,这就...
海勃湾区13924237492: 热核聚变是在上亿摄氏度高温下,利用氢的同位素氘氚在可控情况下发生的聚变的试卷 - ?
宗政秒洛威: 应该是在高压情况下由氢(或氘、氚)聚合发生的反应,可发出上亿摄氏度高温的能量 氢(或氘、氚)在高压、低温情况下由几个分子聚合成一个的现象.
海勃湾区13924237492: 核能可再生吗 为什么 详细点 - ?
宗政秒洛威: 核能是不可再生的自然资源,也即是一次能源!像核裂变常用铀或是钚作为核燃料,铀或是钚裂变后生成它种物质这种过程是不能逆转的,核聚变所用的材料主要为氘或是氚作为核燃料,氘-氘 聚变生成氦气都是不可逆转的一次性聚变,所以核...
海勃湾区13924237492: 核聚变释放的巨大能量什么是常用的聚变原料 ?
宗政秒洛威: 常用的核聚变燃料是氘和氚,除了这两种以外还可以用He-3.氘和氚都是氢的一种同位素,He-3是氦的一种同位素.
海勃湾区13924237492: 核能的核能知识 - ?
宗政秒洛威: 所谓轻核聚变是指在高温下(几百万度以上)两个质量较小的原子核结合成质量较大的新核并放出大量能量的过程,也称热核反应.它是取得核能的重要途径之一.由于原子核间有很强的静电排斥力,因此在一般的温度和压力下,很难发生聚变...
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宗政秒洛威: 核反应分为核聚变和核裂变,目前世界上所有存在的核电站用的均为核裂变反应,也就是铀核的链式反应.而核聚变是以氢元素的同位素:氕氘氚,作为原料进行的反应,就目前的科学技术,核聚变唯一的用途是制造氢弹,其不能用于发电的原因...
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宗政秒洛威:[答案] 月球上的氦3可为人类提供几千年的能源研究发现,月球表面土壤中富含大量的氦3,初步估计有上百万吨.目前科学家正在利用氘-氚建立核聚变实验堆,而利用氘-氦3参与的核聚变发电向人类提供能源,是科学家目前正在研究的课题...
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海勃湾区13924237492: 如何用氚制造核聚变反应,如何控制. - ?
宗政秒洛威: 这个其实还处于实验研究阶段,并未达到商业运行的标准.也就是投入大于产出,无法盈利 可控核聚变,首先是约束住核反应物质,因为核反应温度上亿度,任何容器都装不了,只能用磁场或电场进行约束,所以无非是静电约束和电磁约束,理论上将极为少量的核反应物质加热到等离子状态,然后加热到核聚变温度,控制燃料供给速度,来实现核能的控制释放,但是目前点火是实现了,但是无非持续燃烧, 在人类研制的约束器中理论上磁径是可以实现连续运行的,可惜约束条件最差连点火都实现不了,而环形托卡马克,约束条件最好已经实现了点火,可惜在补充燃料和排泄废气上存在技术缺陷无非连续运行