[科普中国]-轻核聚变

轻核聚变能量

轻原子核结合成较重的原子核，同时释放出大量的原子核结合能的核转变。从核子的平均结合能曲线可知，质量数为中等的核的核子平均结合能比轻核的核子的平均结合能大。因此，如果当轻核结合为较重的原子核时，要放出大量的结合能。同重核的裂变一样，轻核的聚变也是释放原子核能的途径之一。根据核子的平均结合能数值，可以计算出聚变反应释放的结合能。

例如，当氘核(D或21H)和氚核(T或31H)聚变时将释放△E=7.03×4-(1.09×2+2.78×3)=17.6兆电子伏的能量，反应方程为：21H+31H→42He+10n+17.6Mev。平均每个核子释放3.5兆电子伏的能量。而23592U裂变时放出约220兆电子伏的能量，平均每个核子放出1兆电子伏的能量。显然，相同质量的物质参与反应时，轻核的聚变远大于重核的裂变放出的能量。同样质量的轻核聚变放能是铀核裂变放能的2～6倍。

实现方法要使轻核发生聚变反应，比实现重核裂变要困难得多。因为裂变是由中子引起，中子不带电，不受库仑斥力的作用，很容易打入原子核，而聚变反应要使两个轻核融合在一起，即接近到核力发生作用的范围，就必须克服因原子核带正电而产生的强大库仑斥力。

这就要求两个轻核具有极高的速度(或动能)，相互碰撞，才会发生数量可观的聚变反应。为使轻核具有极大的动能可有两种方法：

（1）在实验室中，利用加速器加速轻核，使其达到引起聚变反应所需的动能。但是这种方法有两个缺点，其一是只有少量的轻核发生反应，释放能量微不足道;其二是从能量角度来看，加速轻核完成聚变得不偿失。所以大规模的聚变不能用此方法。

（2）把反应物质加热到极高温度，让这些物质的原子核具有极大的热运动速度(或动能)，彼此碰撞而发生聚变反应。由于聚变反应只在极高温度下才能进行，所以聚变反应又称热核反应。热核反应有两种方式：①剧烈的，不可控热核反应，即氢弹爆炸。现已在地球上实现。②受控热核反应，即聚变反应堆。由于还有许多问题没有解决，至今仍未建成。2

氢弹爆炸原理比如氢弹的爆炸，就是两个特殊的氢原子（氘和氚）结合成一个氦原子，同时放出一个中子和大量的能量。氘(原子量为2,中子数为1)和氚(原子量为3,中子数为2)，其反应表达式为：氘+氚=氦+中子。

同样质量的氢（氘和氚）聚变放出的能量约为U-235的裂变（如原子弹爆炸）放出的能量的4倍。这样的反应属于核反应，因为是在极高的温度下发生的，又叫做热核反应。

不过，上述氢弹爆炸的能量是在极短时间内一下子放出来的。这些能量不能受我们控制地进行利用，只能造成极大的破坏。如果能够控制核聚变反应，使能量逐步释放出来。那么，就可以利用核聚变能来发电，这就是受控核聚变反应。

两个较轻的原子核聚合成一个较重的原子核，同时放出巨大的能量，这种反应叫轻核聚变反应。它是取得核能的重要途径之一。在太阳等恒星内部，因压力、温度极高，轻核才有足够的动能去克服静电斥力而发生持续的聚变。自持的核聚变反应必须在极高的压力和温度下进行，故称为“热核聚变反应”。

氢弹是利用氘氚原子核的聚变反应瞬间释放巨大能量起杀伤破坏作用，正在研究受控热核聚变反应装置也是应用这一基本原理，它与氢弹的最大不同是，其释放能量是可以被控制的。