氢不是最小的分子吗?为什么聚变不是用氢,而是用氘氚?

未来1241151768

答:“氕核”聚变会先生成“氘核”,但是“氕核”聚变释放的能量相对少,而且氕核的聚变条件更高。从而决定了人工核聚变用“氘”和“氚”,而不用“氕”。


理论上来说,原子量比铁小的,都可以发生聚变并释放能量,但具体采用哪个元素,取决于实际中的可行性,主要有两条因素:

(1)聚变的发生条件,主要是温度和压力,两个条件越低,核聚变越容易发生;

(2)聚变释放的能量,当然能量越高越好;



氢核的聚变条件

氕[piē] ,氘[dāo] ,氚[chuān],是氢的三种同位素。



其中氕核就是我们平常说的氢原子,只有一个质子没有中子,氕核可以发生核聚变,反应方程式为:

1H+1H→2D+e(+)+v,ΔE=1.442MeV;

氕核发生核聚变的条件,对压力和温度要求都非常高,目前人工核聚变还达不到这样的要求。

但是对于“氘核”和“氚核”,因为原子核有中子,中子对核力的分布产生了一定影响,使得两者相互融合时,需要克服的势能大大降低,表现为聚变发生所需的温度和压力大大降低。


氢核聚变释放的能量

“氘核”和“氚核”的聚变总方程式为:

3H+2H→4He+1n,ΔE=17.6MeV;



我们可以看到,“氘”和“氚”的聚变,释放能量是氕核聚变的12倍,一旦聚变发生,释放的能量能保证后续聚变的继续发生。


正是以上两个原因,决定人工核聚变使用“氘氚”而不用“氕”,但是恒星内部的核聚变,肯定都是从氕核开始的。



如果我们拥有足够的氦-3,那么利用氦-3来实现核聚变,会比“氘氚”更适合,氦-3聚变方程式为:

3He+3He→4He+2(1H),ΔE=12.860MeV;

因为没有中子释放,所以基本没有核辐射,被誉为清洁核能源,这也是未来可控核聚变的原料之一。



艾伯史密斯

在自然界中,氢有三种同位素,分别是原子核中没有中子的氕,原子核中有一个中子的氘(重氢),原子核中有两个中子的氚(超重氢)。其中氕的丰度最高,达到了99.98%。在宇宙中,恒星的发光原理是氕的核聚变反应,结果产生氦-4。而在人工核聚变中,使用的核聚变原料才是氘和氚。那么,为什么人类不使用丰度最高的氕来进行核聚变反应呢?

原因就在于氕的核聚变反应很难进行,而氘和氚较为容易发生核聚变反应。氕原子核就是质子,它们带正电荷,这意味着它们会互相排斥。氕的核聚变反应是分步进行的,没有不带电荷的中子存在,质子很难结合在一起形成没有束缚态的双质子(氦-2)。就算质子结合在一起形成双质子,它还需要经历β+衰变产生氘、正电子和中微子,这样才能进行接下来的核聚变反应,但发生β+衰变的概率极低。

β+衰变

只有在像太阳这样恒星的核心区域,大量的氕原子核在极端温度和压力下才能更容易地发生核聚变反应。但即便如此,一个氕原子核真正完成一系列的核聚变反应仍然相当不容易,这个时间需要持续长达10亿年。人类还无法实现维持氕核聚变反应的极端条件,所以这种过程现在只发生在恒星内部。

相比之下,由于氘和氚原子核中存在电中性的中子,它们更容易结合成有束缚态的氦-5。然后,氦-5又会衰变成氦-4和中子,这样核聚变反应更容易进行下去。因此,目前的人工核聚变都是采用氘和氚。但现在人类还无法控制这种核聚变反应,诸如氢弹爆炸都是不可控的。如果未来可控核聚变被攻克了,将能解决能源问题。

此外,有答主称,氘和氚核聚变释放出的能量高于氕核聚变,这是不对的,看看它们的比结合能就知道了:

氕的比结合能比氘和氚都要小,所以核聚变所能产生的能量更高。氕核聚变反应的终点不是氘,而是氦-4,质子-质子链式反应可以释放出相当巨大的能量。


火星一号

氢分子不是最小的分子,还有一种特殊的分子为单原子分子,比如氦气就是由单个氦原子构成的。氦原子或氦分子就是同一个东西,而氢分子可是两个氢原子构成的,所以氦分子比氢分子要小。



严格来说,氕氘氚都是氢,只不过为了区分这三种氢的同位素才这样命名的。大家通常所说的氢,大多数情况下就是氕,因为氢中大约99.985%的氕,所以提取氘和氚才那么难,因为丰度太低了。

核聚变就要考虑难易程度了,使用氕原子也可以实现核聚变,但是需要的聚变控制条件比较高,人类只好选择氘和氚,虽然这样也很难实现。氘氚核聚变的缺点是会产生高能中子,容易破坏核设施的材料。使用其它核聚变燃料时,可以选择氘和氦3反应、氦3和氦3反应,不过就和此题没太多联系,就不展开了。

可控核聚变比可控核裂变难多了,侣意还是很期待未来的。


侣意

氢不是最小的分子,氢是一种最基本的元素,原子核包含一个质子,氘氚是氢的同位素,也叫重氢,氘原子核包含一个质子一个中子,氚原子核包含一个质子二个中子。

恒星在主序星阶段,聚变反应主要是在恒星核心中,质子和质子链式反应的过程,具体来说是氢元素聚变为氦元素的过程,氦核由二个质子和两个中子组成,因此,一般情况下,包含一个质子的氢容易首先聚合成氘(重氢),然后两氘核聚合成氦或氘和氚聚变成氦的同位素,而不是四个含单个质子的氢直接聚变成氦。


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