氚-氘用于人类受控核聚变的研究。可以用其他元素吗?

理论上任何低于铁的元素都可以进行核聚变反应,释放大量能量,但目前人类核聚变的手段主要靠提高温度。在所有核聚变中,氢的核聚变反应所需的温度是最低的,氘和氚的聚变是最容易实现的。

核聚变的要求

根据爱因斯坦质能方程,元素的平均核子质量决定了元素的聚变或裂变方向。在所有元素中,铁的平均核子质量最低,所以理论上可以聚变比铁低的元素。

然而,各种元素融合的条件是不同的,包括温度、压力、等离子体温度、约束时间等。目前人类的技术手段主要依靠提高温度来点燃聚变反应,其中氢气的核聚变反应所需温度最低,约为654.38+0亿度,太阳内部的压力超过654.38+0亿个大气压,在这样的超高压条件下也需要700万度。

相比之下,其他元素的聚变条件更高,比如在大质量恒星内部,压强比太阳内部高,其中碳的聚变需要2亿度左右,氖的聚变需要654.38+0亿度,氧的聚变需要20亿度,硅的聚变需要30亿度。

在地球上,元素丰度的顺序是氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁、氢、碳、氮。虽然氧和硅是地球上最丰富的元素,但核聚变所需的温度对现阶段的人类来说太高了。

目前利用托卡马克装置能够稳定持续达到的极限温度是2亿度,在低压条件下根本不可能点燃重元素的核聚变反应;如果不考虑反应温度,那么人类世界可以通过燃烧石头获得源源不断的能量,就像流浪地球里一样。

为什么是氘氚,而不是氢的其他同位素组合?

氢有三种同位素,即氘(H)、氘(D)和氚(T)。氘是一个独立的质子。理论上,氘也可以与氘融合,反应方程式为:

H1+H1?D2+e(+)+?,Q = 1.442 mev;

而氘和氚原子核都是带正电的,所以不容易把两个原子核结合起来。对于氘和氚核,中子起慢化作用,这使得D-D和D-T的结合更容易。因为氚核比氘多一个中子,所以D-T的结合比D-D容易,反应截面更大,核聚变所需的温度也更高。

理论上T和T的结合也是可以的,但是自然界氚核的丰度是0.004%,氘是0.016%,氘是稳定元素,氚核的半衰期是12.43年,所以制造氚核的成本比氘高很多,而且不容易储存。

现实

人类研究核聚变已经几十年了,要实现可控核聚变还有很多技术要攻克,实际情况更复杂。比如我们可以用D-T产生高能中子,然后高能中子和锂碰撞产生氚核,可以用来补充昂贵的氚。

对于人类来说,最理想的核聚变材料是氦-3。氦-3的聚变过程不会产生辐射,还会释放高能量。聚变所需的温度也在人类能够达到的范围内。反应方程式是:

He3+He3?He4+2H1,Q = 12.86 mev;

然而氦-3在地球上的含量极低。据估计,世界上可开采的氦-3只有半吨,但在月球上,可开采的氦-3高达654.38+0万吨,所以有资料说,月球上最珍贵的资源是氦-3。

冷核聚变神话

冷核聚变技术是指在常温附近实现核聚变反应,类似于《钢铁侠》中盔甲胸前的方舟反应堆。虽然历史上有很多声称实现冷核聚变的例子,但无一例外都被否定了,最著名的是1989?弗莱施曼-庞斯实验?。

2015年,谷歌提供了10万美元,召集了大约30名科学家试图重现弗莱舍曼-庞斯实验。经过多年研究,科学家在2018公布了研究成果。冷核聚变证据不足?,基本上是宣布了冷核聚变的死刑。