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可控核聚變若實現,會把地球上的氚用光嗎?本就只有幾公斤
2022/02/20
2022/02/20

提到「核」這個字,許多人率先想到的都是原子彈或者是核輻射,總之似乎都是一些不好的影響,頗有一種「聞核色變」的意味。可是實際上,核能是未來一種非常重要的能源,它不僅比傳統的化石能源釋放出來的能量更多,其污染性也極低,當然這裡指的是經過可控核聚變製備出來的能源。傳統的核裂變,其核廢料還是具有很高的放射性的。

核聚變也可以叫熱核反應,其原理是把質量比較小的原子, 比如說氦原子,放入極高的壓力和溫度之下,使其結合或者碰撞,讓更重的核心產生,隨之還有質量的損失。簡單來說,就是讓兩個比較輕的原子核聚合成為一個比較重的原子核的過程,這個過程當中會釋放出能量。

由于要求原子的質量一定要比較輕,所以對于用來進行核聚變反應的原材料要求還是很高的。 科學家們發現,自然界當中就存在著能夠很容易就實現聚變反應的元素,這二者都是氫的同位素,分別是氘和氚,氘也叫重氫,而氚叫做超重氫。

值得一提的是,太陽的內部也一直在進行著核聚變反應,這使它可以釋放出巨大的能量,氘和氚的聚變就已經在太陽身上持續了很多年。根據這一發現, 人們就給可控核聚變起了一個很有意思的別稱,叫做「人造太陽」,當然許多人也戲稱這就是在「燒開水」。不管是哪一個,都體現出對其原料和製備條件要求都非常的高。

可以看出,如果人類想將兩個原子核進行聚合,就需要一個能夠產生「高溫高壓」的設備,不然就會陷入即使擁有原材料,也無法完成核聚變的情況。 而托卡馬克裝置就能夠説明我們實現這件事情,至于大家聽說的中國EAST,其實是屬于超托卡馬克反應體的一部分。

托卡馬克裝置

反觀原材料,氘和氚,它們兩在自然界當中的含量和性質差別還是蠻大的。大家可能都聽說過「核聚變能源用之不竭」這種說法,這裡面用之不竭的元素正是氘,在常溫條件下,它是一種無色無味的可燃性氣體。重要的是,氘廣泛地存在于海水當中,估計多達40萬億噸,大約每升海水當中就有0.03克的氘,這個量看起來就讓人「安心」。

可是另一種氫的同位素氚就沒有這麼多了,它在自然界當中的存量微乎其微,大部分主要是通過核反應人為製備出的。但從上述所說的反應方式來看,它又是不可或缺的。 那麼,可控核聚變一旦實現,會把地球上的氚給用光嗎?畢竟,大自然中本來就只有幾公斤。

如果說可控核聚變技術是當今全世界國家都熱衷于研究的領域的話,那麼其原料氚的製備工藝,也是人們所關注的。 因此聚變氚工藝從很早就被人們開始研究,經過長時間的努力還是取得了一定的成果。

像起步較早的美國,研究氚工藝的實驗室就有好幾個,最具代表性的應該是洛斯阿拉莫斯科學實驗室,美國能源部在1977年時就在該地建造了一個模擬聚變堆氚工藝的氚系統實驗裝置,用于研究如何有效地製備氚。

日本的該工作主要在日本原子能研究所和東京大學當中進行, 並且日本政府也投資建設了氚處理實驗室,不過該系統相比美國的來說還是比較小的。

中國工程物理研究院的研究人員就曾專門發表過相關的論文,闡述了含氚重水當中提氚工藝的技術精湛。比如說特種電解技術、氣液催化交換技術、氫氧復合技術等等。

在CANDU類型動力堆或以重水作反射層的實驗研究堆中,中子與重水中氘(D)作用,產生副產物氚,隨著堆執行時間增長,重水中將積聚一定量氚。

總之,目前人類已經掌握了製備氚的相關方法。但是想要大批量生產還是比較困難的,且耗資巨大。 不過,隨著科技的進步與發展,相信科學家們在未來都可以將這些難題克服,屆時人類一定會迎來一個全新的時代。

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