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19.8: 核聚变
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核聚变
 
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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。

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