19.8: 核聚变

将极轻的核酸转化为更重的核的过程还伴随着将质量转化为大量能量，这是一种称为融合的过程。 太阳中能量的主要来源是一种管网熔融反应，其中四个氢核熔接并最终产生一个氦核和两个正位体。

氦原子核的质量为 4 个氢核的小于的 0.7% ；这一损失的质量在熔融过程中被转化为能量。 根据熔融途径，这种反应每生产氦 -4 摩尔，产生约 1.7 × 10⁹ 至 2.6 × 10⁹ 千焦耳能量。 这在某种程度上是小于此能量由一枚铀 -235 (1.8 × 10¹⁰ kJ) 的核裂变产生的。 然而，一克氦 -4 的熔融产生约 6.5 × 10⁸ kJ ，即大于此能量，由一克铀 -235 (8.5 × 10⁷ kJ) 的裂变产生。 这一点尤其值得注意，因为氦混合的反应物价格比 U-235 便宜得多，而且富饶得多。

现已确定，重氢同位素 (一种 氘核（deuteron） 和一种 氚核（triton）) 的核在极高的温度下进行热核聚变，形成氦核和中子。 这一变化产生了 0.0188 amu 的质量损失，相当于每形成氦 -4 摩尔释放 1.69 × 10⁹ 千焦耳。 为了给核提供足够的动能以克服其核上的正电荷所产生的非常强的排斥力，必须使用极高的温度，这样它们就会发生碰撞。

有用的熔融反应需要极高的温度才能启动—大约 15,000,000 K 或更高。 在这些温度下，所有分子都分离成原子，原子会电离，形成等离子体。 这些情况发生在宇宙中的许多位置—星是由融合驱动的。

创建熔融反应堆是一项艰巨的任务，因为在这样高的温度下没有固体材料是稳定的，机械设备也不能包含发生熔融反应的等离子体。 目前，内含的研究的工作重点是在熔融反应所需的密度和温度下控制等离子体的两种技术：在托卡马克反应堆中由磁场进行抑制，以及使用聚焦激光束。 然而，目前世界上没有可自我维持的聚变反应堆在运行，尽管小规模受控的聚变反应已经运行了很短的时间。

本文改编自 The Openstax, 化学 2e, 第21.4节：嬗变与核能。

像氢这样的小原子核结合 产生像氦这样的大原子核的过程，称为核聚变。因为原子核必须克服静电斥力，聚变反应 需要 4000 万开尔文或更高的温度，因此称为热核反应。质量数在 40 到 100 之间的核素，每个核子都具有很高的结合能，一般是稳定的。因此，每个核子具有较低核结合能的 较轻原子核倾向于结合，从而产生 具有较高结合能的较重原子核。生成物与反应物核素的核结合能 之间的差异会产生巨大 能量。值得注意的是，形成 1 克氦-4 时所释放的能量 明显大于 1 克铀-235 裂变时所释放的能量。那么，核聚变是用来发电的吗？好吧，还没有！在核聚变所需的高温下，所有分子都离解成原子，这些原子电离，形成等离子体。对于这样的反应，强大的环形磁场可以用作反应堆。然而，它的有效利用仍然是一个技术难题。实际上，氢到氦的核聚变 是像太阳这样的主序星中 主要的氢燃烧过程之一。一旦恒星开始氦聚变，两个氦核就会结合成铍-8。与氦-4 不同，铍-8 高度不稳定，这使它成为一个吸热、容易逆转的聚变反应。随着氦聚变的加速，铍-8 变得更加丰富，并与氦-4 发生聚变，产生激发态碳-12，激发态碳-12 偶尔会弛豫到稳定的碳-12。在大质量恒星中，由 碳-12 和氦-4 结合引发的聚变反应链 产生了一系列元素，最高达到镁-24。随着进一步聚变反应产生更重的核素，反应物和产物 之间结合能的差异减小，导致这些反应产生的能量减少。这个序列终止于镍-56，它是 每个核子中结合能最高的物质之一。相反，在恒星或超新星独特爆炸 之前和期间，发生的多次中子或质子捕获事件 产生了更重的元素。