为什么是氘和氚？一文通透了解聚变基本原理。

引言：众所周知，生活质量标准是直接与能量消耗成正比的。能源的供应直接关系到食品的生产，家庭取暖和照明，工业设备的运行，公共和私人交通保障和通信保障这些人们日常生活中紧密相关的领域。所以很明显，高质量的生活是建立在足量并且价格合理的能源供应的基础上的。而当前世界大部分地区的能源状况是并不乐观的，能源的需求增长和环境的不断恶化是能源供给矛盾中非常重要的部分。而且现已探明的化石能源只能够供应人类使用不超过一百年。

面对日趋紧张的能源形势，我们明白解决能源问题需要制定不同的解决方案，而核聚变正是在这样的背景下进入了人们的视野，相比之下，聚变能的发展潜力几乎是无限的，在安全性，燃料储量和环境友好度上相对于现有的其他能源类型具有无与伦比的优点。本文正是抛开新闻和论文中那些高大上的专业词汇，从最基础的原理讲起，从而让读者对什么是核聚变，为什么会发生核聚变，为什么选择轻元素作为核聚变燃料等问题有深入的了解，从而让读者对之后聚变新闻和相关信息有着最基本的判断和筛别。

为了让读者能够更顺逻辑的一步步深入了解核聚变的基本原理，本文的结构如下：
首先讲述化石燃料燃烧时候的化学反应，核裂变电站以及将来核聚变电站产生能量的核反应进行比较。
接着会进一步分析核裂变反应的基本反应机制，并解释为什么这种机制不适合核聚变能。
从而引出一个视角，使我们认识到必须采用另外一种能够提供大量核聚变反应能源的替代机制。
其中还会详细讲述包括氘氚反应在内的一系列聚变反应的过程。

通过对以上分析，可以得出的结论主要有：
无论是重原子的裂变，还是轻元素的结合，都会有效的产生核能。这两种对立的能量机制是核力的性质的直接结果，核力是一种将不同元素的原子核结合在一起的力。
这些核力的行为可以通过“结合能”对原子序数的曲线方便的展现出来。
一个简单的物理图像解释了结合能曲线的形状。这个解释说明了为什么轻元素或者重元素是产生核能的理想来源，而位于中间的元素不是。
一.核反应与化学反应

通过对不同种类燃料的能量当量进行比较，我们很容易看出为什么人类对产生核能的核反应有如此浓厚的兴趣：
化石燃料裂变聚变
106t原油 = 0.8t铀 =0.14t氘
可以看出，相同能量当量的核燃料质量要比化石燃料少10E6倍，这样可以大大节省燃料且有利于环境保护。之所以存在如此大的差别，是因为核反应与化学反应的基础不同。
为了弄清楚这些问题，我们先考虑化学反应。为供电或传输的化石燃料的燃烧过程属于化学反应。化石燃料含有复杂的碳氢化合物。这是化学反应，因为每种元素的原子数在反应前后并未发生变化。然而由氢、碳、氧的化合物构成的反应物产物却不同于原始燃料的化学组成。新分子的电子键结构不同，电子键的作用是使电子在适当位置上围绕每个原子运动。控制电子行为的主要的力是电磁力，它能够在不改变原子核的情况下重新排布电子结构。

在现在工业生产中经常见到的“燃烧反应”中，燃料的一部分化学势能转化成了反应产物的动能，而另外一部分就会转化为辐射能并通过可见光的形式表现出来。所以很明显能看出反应产物的化学势能明显会比燃料本身的化学势能要低。

燃烧产生的反应产物携带着动能，通过粒子间的随机碰撞转化成了热能，而这部分热能就可以用来产生蒸汽或者驱动汽轮机，在汽车上，通过增压来推动汽车引擎的活塞。

而我们在这里更关心的是如何确定每次化学反应释放出的能量是多少。我们运用极限思维可以想到，电离是化学反应的极限，也就是说，原子或者分子在获取了足够的能量之后，可以使一个电子脱离原子核的束缚。实际上，化石燃料燃烧所释放出来的能量通常要比电离能要低，所以在燃烧过程中很难出现燃料原子或分子被电离的情况，但是我们可以通过这种极限假设，我们可以估算化学反应产生能量的上限。
氢的电离势能为13.6eV，而1eV=11600K，而化石燃料燃烧的时候通常温度不会超过几千K这个量级，很明显，化学反应释放的能量量级一般不可能达到1eV这个量级。例如汽油燃烧的过程，我们知道汽油最主要的成分是C8H18（虽然汽油是由很多种碳氢化合物组成），其燃烧的化学方程式为：
2 C8H18 +25 O2 → 16CO2 +18H2O +94 (eV)
在这个反应中，一共有102个原子参与燃烧反应，所以可以计算出平均每个原子释放0.9eV左右的能量。从宏观上来看，汽油燃烧所释放的能量为40MJ/kg，我们在这里就理解为，每次化学反应释放的94eV的能量就相当于宏观上的40MJ/kg，这个数据在之后与核反应做对比的时候需要用到。

那我们继续考虑核反应，核反应是包括核裂变和核聚变的。核反应的过程主要有以下一些特征：
（1）参与反应的原子核的基本结构都发生了变化。从一种元素变成了另外一种元素，例如在铀的裂变反应中，铀就裂变成了氙和锶。
（2）原子核内的基本粒子数也就是核子数的守恒。在这个层面，我们只考虑质子和中子的数量守恒，当然有些核反应会因为放出β射线而产生次级反应，但是这里指的守恒是指原子核内核子总数的守恒，并不是个别种类的核子数的守恒。
核反应能量的产生于化学反应相比，其释放的能量是巨大的，最主要的原因在于，核反应中引起反应的力不再是电磁力，而是核力。核力是一种短程力，其力的作用范围为原子核的直径范围，但是核力的强度会比相同作用距离下的电磁力强的多。
核反应中能量的释放相当于核“势能”的减少，也等效于原子核在反应前后结合能的增加。反应后原子核总质量的轻微减少，从而原子核会因为结合能相应的增加从而更加稳定。根据爱因斯坦的质能方程E=mc2，反应前后的质量差异转换成了能量。核反应中释放的能量表现为生成粒子的动能或者γ射线。所以一般情况下核裂变的反应形式都可以携程如下形式：
A1 + A2 → A3 +A4 + … +Ak +能量E
能量E为：
E = [ ( mA1 + mA2 ) - ( mA3 + mA4 + … + mAk ) ] c2
接下来，我们更加深入去探讨两种截然不同的核反应——裂变和聚变。
二.裂变核能

通常是用慢中子（能量为室温能量0.025eV的中子）轰击铀的同位素U235。实际上存在多种不同能使U235裂变的方式，从反应产物和能量释放来看，有以下经典反应：
n + U235 → Xe140 + Sr94 + 2n +E&#39;
当然，该反应中生成的氙和锶为不稳定核素，在大约两周的时间内通过若干次β衰变为稳定核素，故有最终反应：
n + U235 → Ce140 + Zr94 + 2n +6e- +E

可以看出，反应前后元素总质量为236.053u 和 235.832u，其中u为原子质量单位， 1u = 1.660566 10-27 kg。

在核反应的前后发生了部分的质量亏损，根据爱因斯坦的质能转换关系可以得到这一部分的亏损质量能够释放出E=206MeV的能量，折算成每个U235的核子上，既每个U235核子能够释放0.88MeV的能量。释放的这些能量换算成宏观上为84E6MJ/kg。我们将这个数值与上文中汽油燃烧放出能量的数值相比，核反应的能量释放达到了燃料燃烧的百万倍量级！
那么为什么核裂变所释放的能量可以转化为实用的电能呢？主要原因有两点：
1、触发核裂变开始只需要一个中子，但是每次反应却能生成两个中子。如果考虑所有可能发生的裂变反应，平均来说每次反应产生的中子数会更多，大约为2.4个。这种中子倍增的行为能够维持链式反应，从而使换料的时间能够延长到数年之久。
2、裂变反应由中子触发，这是因为中子是呈现电中性的，而中子的这种电中性可以让中子轻易的通过包围在原子周围的电子云，能够近距离的与原子核接触和交互。电磁力对电中性的中子不起作用，因此无法通过斥力排开中子。低能中子反而能够更容易的触发核反应，这个特性更是可以让核燃料能够在较低的温度下保持固态发生核反应，这对提升反应堆的能量平衡，经济效益都是有好处的。

电子云
三. 轻元素的聚变反应

1.中子触发的轻元素的核反应
重原子裂变的途径启发了我们探索对于轻原子是否能够通过慢中子轰击来触发链式反应呢？首先说答案，不能。我们要从以下方面来进行解释。
如果我们采用中子驱动的轻元素的裂变或者聚变反应：
（1）以中子轰击轻元素的裂变反应（以中子轰击氘核为例）：
n + D → H + 2n +E
单单从化学反应式上来看，确实产生了中子倍增的效果，但是，上式中的E=-2.23MeV，也就是说，这个反应不但不能输出能量，反而要吸收能量，很显然，这个反应不能够作为能量的来源，其他的轻元素的裂变反应与之类似，都不能进行能量输出。
（2）中子轰击轻元素的聚变反应（同样以中子轰击氘核为例）：
n + D → He3 + e- +E
上述反应中的E=6.27MeV，很明显，对于能量的产能来说，这个反应是可行的，但是也有一个致命的缺点，该反应消耗中子，一个中子触发一次聚变反应之后，不再生成中子，没有新的中子来源，这个反应就不能自持，所以不能自持的核聚变反应是不能作为能量的来源的。

经过前面的讲述，我们明白了轻元素的裂变或者聚变都无法与重元素的裂变相比。但是上面的探究也让我们有了新的追求方向，我们明确了两点非常重要的信息：
1、从产能的角度来说，轻元素的裂变是吸能反应，所以我们必须选择轻元素的聚变反应才有可能实现能量输出；
2、我们不能依赖中子来触发聚变反应，因为这种中子触发的核聚变反应是消耗中子的，无法形成自持核反应。
那我们怎样才能触发轻元素的聚变反应呢？中子不行，我们可以尝试着用另外一个轻元素的原子来代替中子来轰击轻元素的原子核，也就是让两个轻元素的原子核发生碰撞来产生核反应。这样的话可以通过持续供给轻元素的原子而不是中子来维持反应。
例如我们利用两个氘原子碰撞，我们只需要持续不断的供应氘原子，就可能持续不断的发生反应从而产生能量。但是这个反应依然存在着缺点，要想使两个氘原子发生碰撞产生聚变反应，这两个原子核的距离必须足够近，近到原子核直径的尺度范围，在这么近的距离下，两个带着正电荷的原子核之间的库仑力将大的难以想象，排斥力巨大到完全可以改变氘原子的运动轨迹从而使碰撞几率无限趋近于0。
但是，如果氘核的能量足够高，高到可以克服这种排斥性，克服库伦力，就可以与另外一个氘核发生碰撞并产生聚变反应，而这个能量的大小也是核聚变研究的一个重要内容。目前呢，先将注意力集中在不同类型的聚变反应能够产生多少能量，而不考虑其有多难发生反应。
通过对多种轻元素的原子核性质的研究，找出了三类产生能量最多的反应，分别为DD反应，D-He3反应和DT反应，以下我们分别讲述这三种聚变反应。

D-D反应

D-D反应就是两个氘核之间的聚变反应，这种反应的巨大优点就是燃料成本非常低，前面说过，海水里的氘含量为40万亿吨，燃料供应几乎是取之不尽用之不竭，所以我们也最希望实现这种聚变反应。但是这种反应也是三种反应里最难发生的，这是后话。D-D反应有两个分支，两个分支发生反应的概率差不多大：
D + D → He3 + n + 3.27 MeV
D + D → T + p +4.03 MeV
从能量释放的角度来看，两个反应的单核子的产能分别是0.82MeV和1.01MeV，换算成宏观上来看就是每千克氘能够产能78E6 MJ 和 96E6 MJ .但是鉴于这个反应发生的条件非常苛刻，目前并不是研究重点。

D- He3反应

将氘核和氦3原子核聚变融合在一起发生的核反应。这个反应实现起来也很困难，难度仅次于DD反应。这个反应需要He3作为燃料，地球上并不存在天然的He3，但是月球上的He3储量极为丰富。那么为什么要对这个反应这么重视呢？我们先看反应式：
D + He-3 → α + p +18.3 MeV
可以看出，这个反应的反应产物都是带电的粒子，我们其实更希望从带电粒子身上获得能量而不是中子，因为中子会带来很大的材料活化和放射性损伤的问题，而通过带电粒子，我们有可能跳过使用低效率的蒸汽循环系统而直接将核能转化为电能。该反应释放的能量非常大，18.3MeV相当于每个核子产能3.66MeV,即为每千克的D-He3混合燃料可以产生351E6 MJ的能量。但是，由于获取He-3很困难，同时该反应的触发条件也很难，依照当前的研究水平，该反应也不是聚变领域研究的重点。

月球上含有极为丰富的氦3资源

D-T反应

DT反应是将氘核与氚核碰撞而产生的核聚变反应。它是所有核聚变反应中，最容易发生的，尽管相对于重核的裂变还是困难太多。同时DT反应能够产生大量的中子，反应过程需要维持供给氚以维持反应，地球上不存在天然的氚，并且氚具有放射性，半衰期为12.26年。尽管如此，DT反应依然是目前最容易实现的核聚变方式：
D + T → α + n +17.6 MeV
每个核子产能为3.52MeV,相当于每千克氘氚混合燃料能够产能338E6 MJ。由于该反应产生中子，自然就会存在中子材料活化和损伤的问题，这个就要从已经发展多年的裂变研究中获取经验了，在裂变反应中，同样面临着高能中子带来的相应问题，而目前已经有了部分对策，所以对于DT反应来说，中子活化和损伤的问题不重要。同样的，氚的放射性处理也已经在裂变的经验下一步步的推进研究，技术上难度不大。

一个比较关注的问题就是氚的供给问题，这个解决方法就是通过在反应区周围布置包层来对氚进行增殖，能够产氚的反应为：
Li-6 + n（慢）→ α + T + 4.8 MeV
Li-7 + n（快）→ T + α + n - 2.5 MeV
上述两个反应都能够产氚，但是Li6的产氚反应是放热的，而Li7的产氚反应是吸热的。天然锂里有7.4%为Li6，92.6为Li7，在目前的设计里，主要还是采用Li6产氚的反应来对氚进行增殖。所以现在氚的持续供给问题解决了，而锂目前的已知储量也足够使用几千年，基本上也不存在燃料的问题，所以目前的聚变研发热点就是D-T反应。
当然，我们还是最希望能够实现DD反应以彻底解决燃料的问题。
四.聚变反应能量的分配

我们前面知道了几种聚变反应分别放出3.27 MeV，4.03 MeV（DD），18.3 MeV（D- He3），17.6 MeV（DT）的能量，这些能量大部分都是以反应产物的动能形式表现的。特别是对于现在主流的DT反应来说，确定两种反应产物α和中子的能量分配十分重要，因为其中一种反应产物带电而另外一种反应产物是不带电的。可以假设每种反应产物的能量和动量均远高于初始态的原子核能量和动量，我们可以计算出能量在这两个反应产物之间的分配。
相对于反应产物的速度来说，聚变反应发生前的速度可以假设为静止，这样聚变反应发生前后的能量和动量的守恒关系只与反应产物有关，故有：

很容易解出：

可以看出，较轻的粒子反而携带了大部分的能量。对于DT反应来说，释放的总能量为17.6MeV,反应产物为一个α粒子和一个中子，质量之比等于4。那么α粒子的动能为E/5=3.5MeV,中子的动能为4E/5=14.1MeV。中子所获得的能量为α粒子的4倍。所以DT反应也可以写成下面的形式：
D + T → α（3.5MeV） + n（14.1MeV）
五.结合能曲线

那么，为什么最容易触发核反应的元素要么就是在重元素上，要么就是在轻元素上，就像在整个元素周期表里，核反应无论是聚变还是裂变，都是在两极的元素里发生的，在元素周期表那些中间的元素为什么既不能发生聚变反应，也不能发生裂变反应呢？针对于以上的疑惑，我们可以从实验测得的结合能对原子质量的曲线中得到解释，轻元素和重元素原子核的结合力都要比中等元素的原子核结合力要弱，从这个角度可以解释为什么位于原子质量两端的元素原子核更容易发生核反应。
1.结合能曲线的概念
首先来考虑一种原子核由N个中子和Z个质子组成的基本化学元素。我们观察到，整数N+Z虽然非常非常接近实验测得的实际质量数A，但是仍然不完全等于实际实际的原子核质量数，实际上，我们比较原子核的实际质量与构成该原子核的每个粒子质量的总和，会发现：

这里的mA=Au指的是实际核的质量。通过上面关系可以得到一个质量差，而这个质量差实际上已经转化为使原子核结合在一起的结合能。具体来说，结合能可由下式给出：

反过来说，如果我们想将一个原子核分解为原来组成的部分，必须再加上EB的能量才能够完成。为了使用方便，我们通常使用EB/A来表示原子核的每个核子的平均结合能。
举个例子，计算元素氟的每个核子的结合能。元素氟的N=10，Z=9，而A=18.99840约等于19.而相关的单个核子的质量为：中子质量为1.00866u，质子质量为1.00728u，mA=18.99840u。所以可以计算出相应的质量差Nmn+Zmp-mA=0.154u，带入上述结合能计算公式可得EB=143MeV,EB/A=7.5MeV/核子。可以看出，原子核能让粒子结合在一起的能量是非常大的。
上面这个计算可以用来计算所有的元素的结合能，然后将相应的计算结果画成单位核子结合能关于原子质量数的曲线。如下图所示：

从图中可以看出，轻元素和重元素的EB/A都很小，而处在中间位置的铁元素的单位核子的结合能达到了最大值。从而我们可以得出结论：相对于中间位置上的核素，轻元素和重元素将核子结合在一起的核力要较弱。因此，轻元素和重元素才能更容易触发核反应。

结语：以上对核聚变的基本原理进行了深入浅出的讨论和阐释。化石燃料燃烧过程中发生的化学反应与反应分子的电子结构的重新排布有关系，其主要过程是受电磁力的支配。而核反应无论是裂变还是聚变，都涉及到原子层面的交互，最初的燃料均会转化成其他的化学元素，过程是受核力的主导的，所释放的能量也是远远大于化学反应的能量，能够达到百万倍的能量增益。

xiawj · 2022-6-26 03:39:45

TGMK壹munpfazy

timego11 · 2022-6-26 03:40:11

您好，我想问个问题。太阳的核聚变反应表达式是什么？肯定跟氢弹的不一样吧。因为太阳上没有氚

xylroc · 2022-6-26 03:40:17

嫦娥五号带着月球的He3回来了！以后可以考虑在月球上建立核聚变发电站，然后利用核电挖矿提取he3运回地球啦

ivwkd · 2022-6-26 03:40:33

质子链聚变反应。

dinrk · 2022-6-26 03:40:59

为什么不用恒星上的pp反应和TT反应

4p9u · 2022-6-26 03:41:38

既然D-He3反应如此诱人，那么为什么不能采取D-D混合D-He3反应的方式来获得持续反应呢？
理论上有可能啊，D-D反应的副产物是He-3，只要反应能量够大，这两个连锁反应释放的能量最多，同时反应产生带电粒子，意味着有可能不需要烧水直接就能产生电流，理论上只需要持续泵入D，就能够在最小损耗前提下获得最多能量，完美。
D-D反应
D + D → He3 + n + 3.27 MeV
D + D → T + p +4.03 MeV
D-He3反应

D + He-3 → α + p +18.3 MeV

为什么是氘和氚？一文通透了解聚变基本原理。

6 个回复