聚变反应与原子核的相互作用趣闻

由于把原子核结合在一起的力比把原子的电子和它们的核结合在一起的电磁力要大很多，所以通常情况下核反应涉及的结合能的变化要比原子反应大得多。因此，从某定量反应燃料的核反应中捕获的能量比等量燃料通过燃烧等化学反应所捕获的能量要大得多，达几百万倍。核反应优势已为发电所用，建成的核电工业通过蒸汽机发电，蒸汽机由重核中子引发的裂变所释放的能量来驱动，例如铀裂变成轻核，多余的自由中子继续进行链反应，反应产物以动能的形式携载这个过程中释放出来的结合能，对反应介质进行加热。

而核聚变则是核裂变的逆过程，在这个过程中，如果轻核结合或者聚合成重核，就会释放出大量的能量。因为结合能曲线在元素周期表中铁元素周围达到最小值，所以有很多潜在的聚变反应是放热的。但是，由于电厂原因，其中大部分聚变反应在实际中是不可行的。对于核裂变反应，由于热裂变电厂是由无静电荷的中子触发和维持的，所以很容易穿透原子核；但是，聚变反应要求两个原子核相融合，而每个原子核都是带正电荷的，所以它们会相互排斥。因为静电斥力与两个反应核的原子数目（核中正电荷质子的数目）成正比，只有最轻的元素才具有发生聚变反应的潜在可能性。

反应堆方案中涉及的最主要的核反应是两种最轻元素即氢和氦的同位素反应。最早的反应推导如下所示，其中D代表氘，是氢的同位素，有一个质子和一个中子；T代表氚，也是氢的同位素，有一个质子两个中子；⁴He是普通的氦核，有两个中子和两个质子，而³He也是一种氦核，有一个中子和两个质子；n和p分别代表中子和质子，这两个重子包含在原子核中。括号中的数是每种成分以动能的形式所携载的放热反应能量，这些热量在带电粒子反应堆中可以对反应介质加热，或在中子反应堆中对厚的慢化层进行加热。一兆电子伏（MeV）是一个电子经过一兆伏的电势差时所释放的能量。

D+T→⁴He（3.52MeV）+n（14.06MeV）

D+D→T（1.01MeV）+p（3.02MeV）(www.xing528.com)

D+D→³He（0.82MeV）+n（2.45MeV）

D+He³→⁴He（3.67MeV）+p（14.67MeV）

因此，三种最常用的聚变原料是氘，氚和³He。其中，氘是一种氢的稳定的同位素，可以大量获得，在含氢的物质例如水中，每6700个氢原子中就有一个氘^[1，2]。氘可以通过电解技术或者膜扩散技术从水中有效提炼出来。氚是氢的一种不稳定的同位素，半衰期为12.3年，通过一种低能量的β粒子（电子）逐渐衰变，每次衰变β粒子的平均能量是0.0057MeV，没有γ衰变。但在大气层中通过宇宙射线的相互作用可以稳定生成氚，地球上天然氚的量很少。现存的氚是通过重水（D₂O）慢化裂变反应堆中生成的，这些氚在紧急简易机场着陆灯、学校里的自照明出口指示牌以及增强核武器等方面都有广泛应用。一个D-T聚变反应堆需要通过锂的中子反应产生自己所需的氚，反应堆周围的中子吸收层中的锂是第三轻的元素。另一种常用的原料是³He，地球上天然³He的浓度非常低，但是在月球表面这种元素已经累积到了一定的可用数量，这些³He是宇宙射线作用了几亿年生成的^[3]。在地球上，由于受到天气、水和板块构造等影响，这些几亿年宇宙射线作用生成的³He被深埋在地球的地壳和地幔中，但是在月球上³He的积累就不会受到这些因素的影响。但是在近阶段要开采月球表明的³He是不太可能的事情，因为D-³He反应和D-D反应一样，在能使早期聚变反应堆发生反应的温度下，其反应截面（表征聚变几率）比起D-T反应要小。除此之外，在D-D和D-3_He反应所要求的高温和磁场环境下，其制动辐射和电子同步辐射这两个能量损失过程非常显著。

据此，很有可能早期的聚变反应准将使氘和氚发生聚合，用剩余的中子轰击反应堆周围慢化层中的锂生成氘。在裂变电厂的热循环中，反应产物的动能将转化成热量再转化成蒸汽，蒸汽用来驱动涡轮机。