核聚变:将水转化为电力背后的科学

11 minute read

更新于 Wed Mar 03 2021

你是否曾经想过为什么太阳会发光呢?我们能使用同样的机制在地球上生产能源吗? 这两个问题的答案正是 核聚变

地球宝宝欣赏着太阳

什么是核聚变?

在前几章中,我们讨论了核裂变――将一个大原子分成较小的原子并释放能源。 核聚变则恰恰相反。它需要两个较小的原子并将它们结合成一个

为什么聚变会是一个好的能源来源

你认为以下哪些是核聚变的优点? 选4个:


如果拆分原子会释放能量,那么结合原子如何也能释放能量?

拆分原子(裂变)使用重元素 (含有大量质子和中子数量的元素),而聚合原子(聚变)则使用非常轻的元素. 为什么呢?因为对于比铁(26个质子)更轻的元素来说,聚变会释放能量而裂变则消耗能量。 对于比铁更重的元素来说,则是颠倒过来

聚变/裂变潜能

因此,对于铀等大原子,我们可以从分裂中获得能量,但需要大量能量把这些原子合并到一起。 相反地,加入较轻的元素实际上 了我们能量

从上面的图表中,你能否猜测出我们将输入哪个元素?


聚变是如何运作的?

你可以尝试合并任意两个元素,但我们将特定谈论一种用于发电的聚变反应。

我们将根据它们拥有的质子和中子数量来表示这些元素:“1p2n”是一个拥有1个质子和2个中子的核。 我们此时可以忽略电子 - 后面你就会知道为什么。

合并1p1n与1p2n 会给你带来什么?


1p1n + 1p2n = 2p3n。 但是:2p3n是 不稳定的同位素,意思是它很快就会断开, 并从2p3n变成2p2n以及额外的中子和能量

聚变

这些元素是什么? 1p0n 是 氢 ‘H’。 用于聚变的1p1n和1p2n是氢的同位素,称作氘和氚(它们的质子数相同,但中子数不同):

氢同位素

这种反应的结果是什么?如果2p2n像核废料那样具有危险性,那将会是坏事。

2p2n是什么元素?


幸运的是,氦不是危险的 - 这是用来填充气球的东西。现在我们知道所涉及的元素,让我们再次看看这个反应:

完整的氘 - 氚聚变反应

为什么这会释放能量?

听起来很奇怪,氦加一个中子的质量比氘加氚 要小。 是的,真的! 通过将相同数量的质子和中子重新组合成不同的配置,整个原子核会失去质量

损失的质量转化为能量,以热量和电磁辐射的形式释放。 爱因斯坦著名的方程 E = mc² 在这里起作用我们正在将质量转化为能量

所以我们为什么不利用聚变来产生能量呢?

在太阳里,聚变发生是源自于太阳核心因重力而产生的巨大压力。温度高达15,000,000°C

好消息是我们可以在地球上制造聚变,坏消息则是:这很困难。

至今,所有的聚合反应堆消耗掉比它们制造出还多的能源。这当然是个问题,一个消耗比它所产生的能源还多的发电厂是没有用的。

能源输入输出比通常称作‘Q’,核聚变已经发展很长一段时间了,但至今我们仍未能成功把Q值变成1:

聚合反应堆性能

就像你从这张图表中看到的那样,我们非常接近Q = 1,但是随后却停止了改进 - 为什么呢?在下一章中,我们将探讨上图的含义,找出阻碍进一步进展(到目前为止)的因素,并讨论旨在达到Q = 10及以上的最新工作。

下一章