人类为什么非要在“氚–氘”可控核聚变一棵树上吊死,轻元素那么多,为什么不多试试别的呢?

如果一个人跟火箭专家争论,说燃料应该用煤、便宜,而且要用水洗煤,环保等等。火箭专家不会跟你争、如果他跟你一争论,他就输了

先说结论,氘-氚核聚变是核聚变里面难度最低的,其他方式要求更高。

氘和氚都是氢的同位素,氘在自然界广泛存在,需要耗费电力在海水里面提取重水,然后电解就行了。而氚的半衰期只有12.32年,只能通过人工用中子轰击锂6,然后取得。氚具有强烈的放射性,整个加工和运输使用成本都很高,价格昂贵。

影响核聚变的因素很多,温度、约束时间和反应物浓度都是关键因素,这三者的乘积就是劳森判据,用来衡量不同原子的核聚变初始条件。劳森判据越高,反应越难开始。

氘-氚核聚变的劳森判据是最低的,但是这种核聚变反应,除了产生氦以外,还会产生大量的中子。中子辐射穿透能力强电离能力强,对人体杀伤力巨大,这才有了中子弹。而且中子辐射还会破坏材料微观结构,结果就是核聚变装置在中子辐射下失去强度,这也是很可怕的后果。因此氘-氚核聚变的成本也是相当高的。

还有就是氘-氘核聚变,氘本身虽然便宜,聚变产生的中子也比氘-氚核聚变要小的多,可是点火要求比氘-氚高得多,大约是6倍的条件。

还有就是氘-氦3核聚变,中子辐射小、能量输出强,可是点火要求更高,比氘-氚高10倍。

至于恒星中心的那种质子链反应或者碳氮氧循环反应,就别提了,难得高的不像话。

不过氘-氚核聚变有一个好处,通过在反应过程中加入锂或者铍,使得反应产生的中子轰击锂或者铍,反应产物就是氚,这样反应开始后,就不用再添加昂贵的氚,更妙的是,产生的氚会比一开始添加进去的氚更多。对于核武库意义很大。

这显然是氘和氚在地球上含量丰富,制取难度低的缘故。

地球的海洋里储存有丰富的氘和氚,虽然净含量很低,但海水总量巨大,因此绝对值依然可观。从海水中分离氘和氚(也就是重水)技术难度不大,二战时就能做到。

相对于其他核聚变材料,氘和氚的优点就是易得,获取成本相对很低,经济性好。所以核聚变材料优先考虑氘和氚。

很多人可能要问,要是比起丰度来,地球上很多其他的元素丰度都要远远高于氘和氚啊,比如碳、硅、铁等。这里先不说这些元素核聚变的难度,就说他们可用于核聚变的同位素,就非常难以获得。一种元素含量多,不代表其可用于核聚变的同位素含量就多。

所以说首先考虑原料是否容易得到,这是未来核聚变能否实现商业化、工业化的前提。

另外还要讲一下的就是,氘和氚也是所有可用于核聚变的材料中,其实现核聚变的条件是最低的。也就是说最容易进行核聚变。

人类在地球上进行可控核聚变,不可能实现一个太阳上的那种条件。所以在地球上完成核聚变,就必须考虑其可实现性。氘和氚能进行核聚变所需要的温度和压力,比其他元素都要低。原因很简单,氘和氚只有一个质子,把他们的原子核压到一起形成一个氦原子核,难度比其他含有更多质子的原子核要小很多。

这一点也是从经济性上考虑的。

又有人会说现代氢弹用的是氘化锂或氚化锂,锂6也可参与核聚变。但是做核武器和可实现工业化核聚变不一样。核武器为了国家安全可以不计成本,工业化核聚变首先考虑的就是成本。二者本质上不同。

综合核聚变所需材料的易获得性和材料可进行核聚变所需要的条件难易程度这两点,氘和氚就是核聚变的最佳材料了

答: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。


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比氘氚更轻的是氕,其实都是氢原素的同位素。氢中氕占绝大多数,但聚变温度要1500万度,这么高的温度,还没升到1500万度就因热膨胀而散了。

氘氚聚变点火温度只有几十万度,多束激光照射加上惯性约束或磁约束就能点燃。棕矮星不是恒星,也能发光发热,就是氘氚聚变。

另外氦3也能实现较低温度聚变。氦3在月球上,氘氚在水里,都很难获得。

这个问题,就如同你考试的时候,送分题如果不会做,那就不要想着“也许其他的题我会”了

这问题提的极度无知!

获得原子能无非聚变和裂变两条途径。最简单的裂变材料是铀,最简单的聚变材料自然就是氢的同位素氘和氚了。两种元素分别位列元素表中天然元素的最后一位和第一位。前者是自然聚变的终点和裂变的起点。后者则是自然聚变的起点和裂变的终点。倘若最容易实现聚变的材料都无能为力,氦以后的元素实现聚变那就更难了。提出这样的问题,就好比要世人放弃最容易实现裂变的铀元素而改用更难裂变的镤及其更轻的元素一样。

舍易求难,结果只能是更加一筹莫展!难道不是吗?!

因为氘和氚已经是最容易实现聚变的元素了。最简单的都做不来,做别的岂不更难?

聚变一旦可控,就无法产生希望得到的能量,托卡马克是错位理论产生的设备。

物质不会转化成能量。

氘氚本是氢同位,

粒子迭加增能量。

技术层面成聚变,

等于头顶安太阳。

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