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为什么核裂变易于控制而核聚变很难?

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:4

    为什么核裂变易于控制而核聚变很难?

    德国马普学会等离子体物理研究所的核聚变装置Wendelstein 7-X仿星器。

    图片来源:DPA/ALAMY

    而实际上,核聚变与核裂变相差甚远。让我们回顾一下这两者的异同点。

    质量化为能量

    假设我有200万美元,当然,这只是假想情况。出于某些考虑,我决定将这笔钱存到两个独立账户中。存完钱之后,我发现每个账户的金额都只有999999美元。是的,有2美元凭空消失了!可能作为交换,这消失的2美元给我带来了满满的能量。那样或许也行。

    核裂变反应中发生的情况也是这样。如果你观察一个原子,你会发现它由3种粒子构成:电子、质子和中子(氢原子不含中子)。原子核中的质子数告诉我们该原子的元素种类(氮的质子数为7,银的质子数为47)。原子量则等于质子数与中子数的和。铀235含有92个质子(这是铀元素的本质属性)和143个中子(因为235-92=143)。哈哈,下次聚会上你又可以多聊两句了。如果两个原子的质子数相同而中子数不同,那它们是同位素(如氕和氘)。

    我们回到核裂变上,这部分有些疯狂。如果铀235裂变为两个碎片,那么你会得到氪92、钡141和两个额外的中子。如果将所有的中子与质子都考虑进来,这看起来似乎也很正常。如果你将最初的铀与最终的所有裂变碎片的质量相比较,将会发现有些质量消失了。原有的质量超过了反应之后的质量,这确实有些匪夷所思。是不是有点像将2百万美元均分两份最后却少了2美元?其实能量并没有真正消失——它只是转化为其他形式的能量了。没错,我们可以将质量视为一种能量,这也正是著名的爱因斯坦质能方程所要表述的。

    在上面的表达式中,E是等效能量,m是粒子质量,c是光速(常数,值为2.99×108m/s)。由于这一比例常数数值极大(还要平方),极小的质量也会有巨大的能量。这些质量变化带来的能量可以用在哪些方面呢?显然,可以用来加热水并提供蒸汽。这就是核裂变反应堆通常所做之事——它们提供蒸汽驱动涡轮机发电,如同一个燃煤电厂,只是不用煤罢了。

    上述例子考虑的是当你将某物分开时质量的变化。若将氢与氘(氢的同位素,中子数为2)结合成较重原子核,同样也发生了质量变化。若轻元素融合,产物质量少于初始原料,这一过程也释放出能量。因此,重原子裂变产生能量(核裂变),轻原子聚变也产生能量(核聚变)。

    为什么核裂变优于核聚变?

    相对来讲,核聚变相当困难。这一过程不需要中子轰击原子核启动反应,而需要使两个带正电的原子核距离足够近而发生融合。由于原子核并不含有电子,它们带正电且相互排斥。这意味着,原子核的能量必须非常高才能克服库仑力作用发生核聚变反应。不言而喻的是,高能粒子就是问题之所在。这也是核聚变反应困难而核裂变相对容易的原因(实际上也有些难度)。

    与核裂变相比,核聚变又好在哪里呢?

    核裂变反应堆也有诸多依然悬而未决的问题。首先,反应原料的问题。我觉得Marty McFly在《回到未来》中提到钚的时候,就很好地阐释了这一点:“博士,你不可能走进一家商店买些钚。难道是偷来的吗?”

    核裂变反应的原料并非随处可得。事实上,如果你要找寻一些天然钚,那你将一无所获。人工合成钚是唯一的方法。核裂变的另一个问题是反应产物。在核裂变反应之后,剩余的原料不但具有放射性,化学性质也很活性,很难处理。

    核聚变则能解决上述的核裂变中产物与原料的问题。核聚变反应的原料更为简单,虽然氘也不那么轻易可得,至少你无需自己制备它。聚变之后,将会生成氦4或氦3。想想这些氦气能让你充多少个气球吧!(撰文:Rhett Allain 翻译:徐丽 审校:胡家僖)

    原文链接:https://www.wired.com/2015/11/nuclear-fission-works-fine-but-not-fusion-heres-why

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