核聚變反應是什麼?

General 更新 2024年4月15日

什麼是核聚變反應？

核聚變又稱熱核聚變，是氫核，具有一個質子和一箇中子的氘核具有兩個中子一個質子的氚，在高溫高壓的情況下，4個氫核聚變為一個氦核，同時釋放出大量的能量的過程，也就是氫彈爆炸的過程，貳地球上如果想達到這個溫度和壓力，就必須用原子彈爆炸的能量，所以氫彈的引爆裝置就是原子彈

核聚變反應的反應條件

聚變反應需要高溫，一個聚變反應釋放出的能量很少，也是放出一些中子，這種小規模的核聚變反應還是可以藉助人為的方法避開高溫獲得的，但如果要是大量的，就必須熱核反應，使聚變反應變成一個自持的反應，就是自己維持自己的反應，就像燒火一樣，煤要燒起來的話，一部分燃燒了，這部分燃燒產生的能量又影響到另外一部分溫度提高了，另一部分又燃燒了，能量越多，煤燃起來的就越來越旺。聚變也是同樣的性質，一個聚變了之後，能夠放出一些中子，同時也產生一些能量，靠本身的聚變提供熱的能量，維持溫度。但這個溫度要維持到一個很高的溫度才能夠維持熱核聚變反應，溫度要達到好幾百萬個攝氏度才能發生聚變反應，當少於這個溫度的時候，聚變一會兒就熄滅了，就像燒火一樣，火燒的不旺一會兒就滅了。這麼高的高溫，人為和其他的辦法很難達到，只有靠原子核的裂變。聚變有一個好處就是沒有核汙染，而裂變有核汙染。

核聚變反應的核武器

核武器就是運用核能做成的武器，人們通俗的稱稱為原子彈和氫彈。學術上的稱呼，原子彈應該叫做裂變武器，氫彈叫做聚變武器。但是聚變武器現在也包含一部分裂變。所謂裂變，就是利用原子核裂變所提供的能量來做成的武器。實現可控制的核聚變反應，打造一個“人造太陽”，已成為當今世界擋不住的一大誘惑。因為，這可以一勞永逸地解決人類存在的能源短缺問題，豈不幸哉！讓世人感到興奮的是，2007年5月24日，在歐盟總部布魯塞爾，中國、歐盟、美國、韓國、日本、俄羅斯和印度7方代表共同草簽了《成立國際組織聯合實施國際熱核聚變反應堆（ITER）計劃的協定》，這意味著與此相關的科研項目將全面啟動，“人造太陽”將由夢想逐步變為現實。ITER計劃是一項重大的國際科技合作計劃。它的目標是要建造可控制的核聚變反應堆，最終實現商業運行。根據原子彈和氫彈爆炸的原理，核裂變和核聚變產生的能量極大，但核聚變單位質量產生的能量要比核裂變大7倍，利用核聚變為人類造福的前景非常好。核聚變所需要的氫是宇宙中最豐富的元素。氫的聚變反應在太陽上已經持續了近50億年，至少還可以再燃燒50億年。在其他恆星上，也幾乎都在燃燒著氫的同位素氘和氚。而氘在自然界取之不盡。科學家初步估計，地球上的海水中蘊藏了大約40萬億噸氘。從1升海水裡提取的氘，在聚變反應中所釋放的能量，相當於燃燒300升汽油。如果把自然界的氘和氚全部用於聚變反應，釋放出來的能量足夠人類使用100億年。與核裂變相比，氘和氚的聚變能是一種安全、不產生放射性物質、原料成本低廉的能源。在前人研究的基礎上，ITER計劃最初是由美國和蘇聯於1985年提出，隨後日本和歐盟響應參與。後因蘇聯解體，1999年美國退出，計劃的進展受到了不小的影響，但研究工作並沒有停止。2003年，美國宣佈重返。接著，中國、韓國和印度先後加入。這使得ITER計劃活力更大，實力更強。經過該計劃參與方數年的努力，不僅完成了所有法律文件的談判，而且將ITER的場址確定在法國的卡達拉什。按計劃，ITER將於今年開始建造，建設期限大約為10年，耗資約46億美元。但再造“太陽”的難度也相當大。譬如，如何讓聚變後產生的上億攝氏度的等離子體，長時間內“老實地呆在容器裡”，使聚變反應穩定持續地進行。為了製造出這麼一個“魔瓶”來，科學家們已經嘔心瀝血幾十年，至今還沒有找到一個滿意的答案。因此，在ITER計劃實施過程中，許多尖端的前沿課題和工程技術難關還有待各國科學家一一攻克。中國在2003年成為ITER談判過程中的正式成員。中國科學家參與聚變能的研究開發，對解決中國能源短缺和提高中國的高科技水平，確保可持續發展具有重要現實意義。當今世界，人口爆炸性地增長，能源、資源危機步步逼近。這項前無古人的ITER計劃，或許也是一個別無選擇的計劃，將為人類的生存和發展創造又一個“太陽”。雖然這個“太陽”離我們還有一段距離，有人估計需要50—100年，不過可以相信，“人造太陽”普照人間的這一天終將來臨。

核聚變是什麼反應

化學變化的最小單位是原子化學變化的實質是原子的重新組合。

沒有生成其他物質的變化就是物理變化

而核聚變是原子核內部的變化，他超過了化學變化的範圍，同時又生成了新物質，自然兩種變化都不屬於

屬於核反應

核聚變是什麼意思？

核聚變

核聚變的定義：

核聚變是指由質量小的原子，主要是指氘或氚，在一定條件下（如超高溫和高壓），發生原子核互相聚合作用，生成新的質量更重的原子核，並伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應形式。原子核中蘊藏巨大的能量，原子核的變化（從一種原子核變化為另外一種原子核）往往伴隨著能量的釋放。如果是由重的原子核變化為輕的原子核，叫核裂變，如原子彈爆炸；如果是由輕的原子核變化為重的原子核，叫核聚變，如太陽發光發熱的能量來源。

相比核裂變，核聚變幾乎不會帶來放射性汙染等環境問題，而且其原料可直接取自海水中的氘，來源幾乎取之不盡，是理想的能源方式。

目前人類已經可以實現不受控制的核聚變，如氫彈的爆炸。但是要想能量可被人類有效利用，必須能夠合理的控制核聚變的速度和規模，實現持續、平穩的能量輸出。科學家正努力研究如何控制核聚變，但是現在看來還有很長的路要走。

目前主要的幾種可控核聚變方式：

超聲波核聚變

激光約束（慣性約束）核聚變

磁約束核聚變（託卡馬克）

核聚變的另一定義

比原子彈威力更大的核武器—氫彈，就是利用核聚變來發揮作用的。核聚變的過程與核裂變相反，是幾個原子核聚合成一個原子核的過程。只有較輕的原子核才能發生核聚變，比如氫的同位素氘(dao)、氚(chuan)等。核聚變也會放出巨大的能量，而且比核裂變放出的能量更大。太陽內部連續進行著氫聚變成氦過程，它的光和熱就是由核聚變產生的。

核聚變能釋放出巨大的能量，但目前人們只能在氫彈爆炸的一瞬間實現非受控的人工核聚變。而要利用人工核聚變產生的巨大能量為人類服務，就必須使核聚變在人們的控制下進行，這就是受控核聚變。

實現受控核聚變具有極其誘人的前景。不僅因為核聚變能放出巨大的能量，而且由於核聚變所需的原料——氫的同位素氘可以從海水中提取。經過計算，1升海水中提取出的氘進行核聚變放出的能量相當於100升汽油燃燒釋放的能量。全世界的海水幾乎是“取之不盡”的，因此受控核聚變的研究成功將使人類擺脫能源危機的困擾。

但是人們現在還不能進行受控核聚變，這主要是因為進行核聚變需要的條件非常苛刻。發生核聚變需要在1億度的高溫下才能進行，因此又叫熱核反應。可以想象，沒有什麼材料能經受得起1億度的高溫。此外還有許多難以想象的困難需要去克服。儘管存在著許多困難，人們經過不斷研究已取得了可喜的進展。科學家們設計了許多巧妙的方法，如用強大的磁場來約束反應，用強大的激光來加熱原子等。可以預計，人們最終將掌握控制核聚變的方法，讓核聚變為人類服務。

利用核能的最終目標是要實現受控核聚變。裂變時靠原子核分裂而釋出能量。聚變時則由較輕的原子核聚合成較重的較重的原子核而釋出能量。最常見的是由氫的同位素氘（讀"刀"，又叫重氫）和氚（讀"川"，又叫超重氫）聚合成較重的原子核如氦而釋出能量。核聚變較之核裂變有兩個重大優點。一是地球上蘊藏的核聚變能遠比核裂變能豐富得多。據測算，每升海水中含有0.03克氘，所以地球上僅在海水中就有45萬億噸氘。1升海水中所含的氘，經過核聚變可提供相當於300升汽油燃燒後釋放出的能量。地球上蘊藏的核聚變能約為蘊藏的可進行核裂變元素所能釋出的全部核裂變能的1000萬倍，可以說是取之不竭的能源。至於氚，雖然自然界中不存在，但靠中子同鋰作用可以產生，而海水中也含有大量鋰。

第二個優點是既乾淨又安全。因為它不會產生汙染環境的放射性物質，所以是乾淨的。同時受控核聚變反應可在稀薄的氣體中持續地穩定進行，所以是安全的。

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聚變反應的反應堆

ITER Tokamak 反應堆我們首先探討磁約束。下面是它的工作原理：加速器釋放出微波、帶電粒子束和中性粒子束，用於加熱氫氣的氣流。在高溫下，氫氣從氣態變為等離子體。這種等離子體受到超導磁體的擠壓，進而發生聚變。在用磁場約束等離子體時，最有效的磁體形狀是麵包圈形（即環形）。採用這種形狀的反應堆稱為 Tokamak。ITER Tokamak 將是一個獨立式反應堆，其部件都裝在不同的盒子中。進行維護時，工作人員可以方便地插入和拔出這些盒子，而不必拆開整個反應堆。該 Tokamak 的等離子體環形室將採用 2 米的內半徑和 6.2 米的外半徑。下面我們來詳細考察 ITER 核聚變反應堆，看看磁約束是如何起作用的。 ITER Tokamak 反應堆的主要組件包括：真空室 -- 用於盛放等離子體，並將反應室置於真空中中性束注入器（離子迴旋系統）-- 將加速器釋放的粒子束注入等離子體中，以便將等離子體加熱到臨界溫度磁場線圈（極向環形）-- 用磁場來約束、定型和抑制等離子體的超導磁體變壓器/中央螺線管-- 為磁場線圈供電冷卻設備（冷凍機、低溫泵）-- 用於冷卻磁體包層模塊 -- 由鋰製成，用於吸收核聚變反應中的熱量和高能中子收集器 -- 排出核聚變反應中的氦產品下面是磁約束核聚變過程的作用機制：核聚變反應堆加熱氘和氚燃料的氣流，使之形成高溫的等離子體。接下來，反應堆對等離子體施加壓力，繼而發生聚變。啟動核聚變反應所需的電能約為 70 兆瓦特，但該反應生成的電能約為 500 兆瓦特。核聚變反應將持續 300 到 500 秒（最終將形成持續的核聚變反應）。等離子體反應室外部的鋰包層將吸收核聚變反應中釋放的高能中子，從而產生更多的氚燃料。在高能中子的作用下，這些包層也會被加熱。水冷迴路將熱量轉移至熱交換器，最終形成蒸氣。蒸氣將被重新壓縮成水，以便讓熱交換器吸收反應堆中的更多熱量。起初，ITER Tokamak 將測試建造持續核聚變反應堆的可行性，最終將變為一座測試核聚變發電廠。在勞倫斯利弗莫爾實驗室的國家點火設施 (NIF) 中，科學家們正在試驗用激光束來誘發聚變。在 NIF 設備中，192 條激光束將聚焦於一個直徑為 10 米的靶室上的一點，這個靶室稱為黑體輻射空腔。根據科學和工程百科全書，黑體輻射空腔是指“腔壁與腔內的輻射能量達到平衡的腔”。在靶室內部的焦點上，將有一個豌豆大小的氘-氚粒狀物，其外側包有一個小型塑料圓筒。激光的能量（180 萬焦）將加熱圓筒，並生成 X射線。在高溫和輻射的作用下，粒狀物將轉化為等離子體，且壓力不斷升高，直至發生聚變。核聚變反應壽命很短，大約只有百萬分之一秒，但它釋放的能量是引發核聚變所需能量的 50 到 100 倍。在這種類型的反應堆中，需要相繼點燃多個目標，才能產生持續的熱量。據科學家估計，每個目標的成本可控制在 0.25 美元左右，從而大大降低了核電廠的成本與磁約束核聚變反應堆類似，慣性約束核聚變中的能量也將被轉移至熱交換器生成蒸氣，進而通過蒸氣來發電。目前，NASA 正在研製一種小型的核聚變反應堆，用於為深空火箭提供動力。核聚變推進器具有無限的燃料供應（氫），其效率更高，可令火箭飛得更快。

什麼叫聚變反應？

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，這種叫聚變反應

聚變反應的相關概念

同位素是指質子數和電子數相同，但中子數不同的同一類元素的原子。下面是核聚變中一些常見的同位素：氕是帶一個質子而沒有中子的氫同位素。它是氫的最常見的一種形式，也是宇宙中最普遍的元素。氘是帶一個質子和一箇中子的氫同位素。它不具有放射性，可從海水中提取。氚是帶一個質子和兩個中子的氫同位素。氚具有放射性，半衰期約為 10 年。氚不會自然形成，但用中子轟擊鋰可產生氚。氦 3 是帶有兩個質子和一箇中子的氦同位素。氦 4 是氦在自然界中最為普遍的一種形式，它帶有兩個質子和兩個中子。目前的核反應堆利用核裂變來產生能量。在核裂變中，能量是通過一個原子分裂為兩個原子來釋放的。在傳統的核反應堆中，鈾的重原子在高能中子的轟擊下發生裂變，這會生成巨大的能量，同時產生長期的輻射和放射性廢物（詳見核能工作原理）。核聚變的能量是通過兩個原子合併為一個原子而產生的。在核聚變反應堆中，氫原子發生聚變，進而形成氦原子、中子，並釋放巨大的能量。氫彈和太陽的能量就是靠這種反應提供的。與核裂變相比，核聚變所產生的能量更加清潔、安全、高效，其能量來源也更為豐富。核聚變反應分為多種類型。其中大多數都涉及氫的同位素氘和氚：質子鏈 -- 這一序列是太陽等恆星中最主要的核聚變反應模式。兩個中子形成兩個氘原子。每個氘原子與一個質子結合，生成一個氦 3 原子。兩個氦 3原子結合，生成不穩定的鈹 6。鈹 6 衰變為兩個氦 4 原子。這些反應會生成高能粒子（質子、電子、中子、正電子），並放出輻射（光線、伽馬射線）。氘-氘反應 -- 兩個氘原子結合，生成一個氦 3 原子和一箇中子。氘-氚反應 -- 一個氘原子和一個氚原子結合，生成一個氦 4 原子和一箇中子。其中大部分能量以高能中子的形式的釋放。從概念上講，利用反應堆中的核聚變十分容易。但為了讓這一反應以可控、無害的方式進行，科學家們歷經周折。為了瞭解其中的緣由，我們需要先看一下發生核聚變的必要條件。當氫原子聚合時，它們的原子核必須結合在一起。然而，由於每個原子核中的質子都帶有相同的電荷（正電），因而會互相排斥。如果你曾試著將兩塊磁鐵放在一起並感到它們互相推開，則意味著你已親身體驗了這一原理。若要實現核聚變，你需要創造一些特殊的條件來克服這種排斥力。下面是發生核聚變的一些必要條件： -- 高溫可為氫原子提供足夠的能量，以克服質子之間的電荷排斥。核聚變需要的溫度約為 1 億開（約是太陽核心溫度的六倍）。在這樣的高溫下，氫的狀態為等離子體，而不是氣體。等離子體是物質的一種高能狀態，其中所有電子都從原子中剝離出來，並可以自由移動。太陽的高溫是由重力壓縮核心的巨大質量而產生的。我們要製造出這樣的高溫，就必須利用微波、激光和離子粒子的能量。高壓-- 壓力可將氫原子擠在一起。氫原子之間的距離必須在 1x10-15 米以內，才能進行聚合。太陽利用其質量和重力將核心內的氫原子擠壓在一起。我們要將氫原子擠壓在一起，必須使用強大的磁場、激光或離子束。藉助目前的技術，我們只能實現發生氘-氚聚變所需的溫度和壓力。氘-氘聚變需要的溫度更高，這種溫度有可能在將來實現。基本上，利用氘氘聚變會更加方便，因為從海水中提取氘比從鋰中提取氚要更加容易。另外，氘不具有放射性，而且氘氘反應可釋放更多的能量。有兩種方法可實現發生氫聚變所需的溫度和壓力：磁約束使用磁場和電場來加熱並擠壓氫等離子體。法國的 ITER 項目使用的就是這種方法。慣性約束使用激光束或離子束來擠壓並加熱氫等離子體。在美國勞倫斯利弗莫爾實驗室的國家點火設施中，科學家們正在對這種試驗方法展開研究。