可控核聚变的瓶颈在哪,为什么那么难?

66 我们得把氢加热到多高的温度和保持这个温度多长的时间,才能使聚变反应持续进行下去?核聚变反应堆原理

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

当氢被加热到越来越高的温度时,它就会以越来越快的速率通过辐射丧失它的能量。另一方面,随着温度的继续上升,氢原子会失去它们的电子,只剩下裸露的原子核撞击在一起并发生聚变。当发生这样的聚变时,就会产生能量。这时,由于温度继续升高,便会通过聚变产生越来越多的能量

随着温度的上升,聚变所产生的能量的数量增加的速率,将大于通过辐射损失能量的速率。在某一个临界温度下,聚变所产生的能量正好同通过辐射损失掉的能量一样多。在这种条件下,温度将保持不变,因而聚变反应就会变成自持的。只要有更多的氢不断供给这样一个系统,能量就会源源不绝地产生出来

发生聚变所要求的温度随着氢的“品种”的不同而改变。最常见的是氢(H),它的原子核是由一个质子构成的。然而还有重氢,即氘(D),它的原子核由一个质子和一个中子构成,还有一种放射性氢,氚(T),它的原子核由一个质子和两个中子构成

在一定的温度下,氘的聚变所产生的能量比氢的聚变多,而氚的聚变所产生的能量还要更多

当只有氢发生聚变时,在一定温度下产生的能量太少了,因此,要在实验室中让这种反应持续进行下去,就要求温度超过摄氏十亿度。不错,在太阳的中心是氢在发生聚变,而那里的温度只有15,000,000℃,但是,在这样低的温度下,只有很小一部分氢参加聚变。但由于太阳上氢的数量极大,所以,尽管发生聚变的氢只占很小一部分,也已足以使太阳维持现有的辐射了

当只由氚发生聚变时,为引燃这种反应所需要的温度是最低的,那只需要达到几百万度。遗憾的是,氚是不稳定的,它在自然界中根本就不存在。在需要用到它时,必须在实验室里把它制造出来,因此,仅仅用氚是不可能使聚变反应以地球上所需要的数量持续进行下去的

氘发生聚变的引燃温度是400,000,000℃。氘是稳定的,但数量很少。在6,700个氢原子当中,只有一个原子是氘。不过,这就已经不算太少了。一升普通水中的氘发生聚变时,已足以产生出燃烧300升汽油所产生的能量了

达到必要温度的一个办法,是添进适当数量的氚,使它作为诱因去起作用。氘同氚的聚变只要在45,000,000℃就可以引燃了。如果这种反应稍稍进行一会儿,其余的混合物就会被加热到足够高的温度,因而可以引燃氘本身的聚变反应

这个温度所需保持的时间长度取决于氢的密度。每立方厘米中的原子越多,碰撞的次数也越多,引燃就发生得越快。如果每立方厘米有10^15个原子(约为普通大气每立方厘米所含分子数的万分之一),那么,就必须把这个温度保持2秒钟

当然,密度和温度越高,就越难使氘聚集在一起,尽管引燃聚变反应所需要的时间非常短暂。正因为这样,这些年来聚变系统一直在取得缓慢的改进,但却仍然没有达到引燃的条件

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

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