核聚變:將水轉換成電的科學

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向Wed Mar 03 2021 提供最新信息

你是否好奇過為什麼太陽會發光?我們能不能用同樣的原理在地球上生產能量呢?以上兩個問題的答案都是核聚變

地球寶寶欣賞太陽

什麼是核聚變?

在前面的章節中,我們討論了核裂變—將大原子分裂成較小的原子並釋放能量。核聚變則正好相反,它需要兩個較小的原子,並將它們合併為一個

為什麼聚變會是重要的能量來源

你認為以下哪些是核聚變 的好處?選擇4個:


如果分裂原子釋放能量,那麼結合原子如何也釋放能量?

分裂原子(裂變)使用重元素(含有大量質子和中子的元素),而聚變原子(聚變)使用非常輕的元素。為什麼?因為對於比鐵(26個質子)輕的元素,聚變釋放出能量,而裂變則消耗能量。對於比鐵重的元素,情況正好相反

聚變/裂變潛能

因此,對於像鈾這樣的大原子,我們從分裂中獲得能量,但需要大量能量才能將這些原子連接在一起。相比之下,合併較輕的元素實際上 我們能量

在上圖中,你能否猜到我們將使用哪個元素作為輸入嗎?


聚變如何運作?

你可以嘗試合併隨便兩個元素,但我們將討論一種用於發電的特定聚變反應。

我們將以他們擁有的質子和中子的數量來指代元素:“1p2n”是一個具有1個質子和2個中子的原子核。我們現在可以先忽略電子—你稍後會看到原因。

將1p1n與1p2n結合會給你帶來什麼?


1p1n + 1p2n = 2p3n。但是:2p3n是不穩定的同位素,意味著它會自然地迅速破裂,並從2p3n變成2p2n和額外的中子和能量[DeutTritFusion,EasyFusion]。

聚變

這些元素是什麼? 1p0n是氫“H”。用於聚變的1p1n和1p2n是氫的同位素,稱為氘和氚(它們有相同的質子數量,但中子數不同)

氫同位素

這個反應的結果是什麼?如果2p2n是像核廢料那樣危險的東西,那將是壞事。

2p2n是什麼元素?


幸運的是,氦氣並不危險—它是用來填充氣球的東西。現在我們知道了當中涉及的元素,讓我們再次看看這個反應:

完整的氘-氚聚變反應

為什麼這會釋放能量?

正如聽起來一樣奇怪,氦加一個中子的質量小於氘加氚 是的,這是真的!通過將相同數量的質子和中子重組為不同的構型,整個原子核將失去質量。為什麼?

損失的質量轉換為能量,以熱量和電磁輻射的形式釋放出來。愛因斯坦著名的方程式E =mc²在這裡就起了作用我們把質量轉換為能量

那我們為什麼不使用聚變來產生能量呢?

在太陽下,核聚變的發生是由於引力造成的太陽核心中產生的巨大壓力,它的溫度可以高達15,000,000°C

好消息是我們可以在地球上產生聚變。壞消息:這真的很困難。

迄今為止,所有聚變反應堆使用的能量均超過其產生的能量[RoyalSocFusionQ,IterHistory2]。這無疑是一個問題,如果一個發電廠使用的電力多於生產的電力,就沒有用處。

輸入能量與輸出能量之比通常稱為「Q」。核聚變歷史悠久,但是到目前為止,我們還無法使Q達到1[IterHistory,IterHistory2,BerkleyFusionTalk]:

聚變反應堆的性能

正如你從該圖可以看出,我們非常接近Q = 1,但是隨後卻停止了改進—為什麼?在下一章中,我們將探討上圖的意思,尋找阻礙進一步進展(目前為止)的因素,並討論旨在達到Q = 10或更高水平的最新工作。

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