人類目前對能源的需求正在不斷增加。傳統(tǒng)能源不僅污染高，而且面臨能源枯竭的問題。在人類目前發(fā)現(xiàn)的能源中，核能的能量密度最高，核能的利用分為核裂變和核聚變。利用核裂變的原理，人類制造出了原子彈，利用核聚變的原理，人類制造出了氫彈。從這兩枚核武器釋放的威力，我們就可以看出核能的威力有多么強大。通過愛因斯坦發(fā)現(xiàn)的質(zhì)能方程E=MC2，我們還可以計算出物質(zhì)所蘊含的巨大能量。成功獲得這種能源或許能夠永久解決人類的能源危機。接下來我將主要圍繞核能原理以及利用核聚變的“人造太陽計劃”的科學(xué)原理和技術(shù)制造進(jìn)行一系列詳細(xì)的講解。
核裂變與聚變簡要概述
核裂變
物質(zhì)是由原子組成的。原子包含位于原子中心的原子核和圍繞原子核的電子。原子核由質(zhì)子和中子組成。質(zhì)子和中子基本上占據(jù)了整個原子核的全部質(zhì)量。
原子結(jié)構(gòu)
進(jìn)行核裂變的原子需要質(zhì)量較大的原子作為原料（主要是鈾原子核U或钚原子核Pu）。由于原子核含有較多的質(zhì)子和中子，因此原子核較大，結(jié)構(gòu)也不是很穩(wěn)定。因此，當(dāng)用高速中子從外部撞擊原子核時，原子核會分裂產(chǎn)生兩個或多個原子核，同時會釋放出兩個或三個具有極高能量的中子。釋放的中子將繼續(xù)撞擊其他相鄰的原子核。原子，從而產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。這個反應(yīng)伴隨著巨大的能量變化。
核裂變的能量非常大網(wǎng)校頭條，目前的應(yīng)用主要是在原子彈和核電站的制造上。暫且不談原子彈的應(yīng)用，二戰(zhàn)期間我們也見識過它的威力。我們主要使用核能作為能源。核裂變技術(shù)還比較成熟，人類早在幾十年前就已經(jīng)利用核裂變產(chǎn)生的核能來發(fā)電。世界上第一座核電站于1954年6月27日在前蘇聯(lián)建成，當(dāng)時成為人類和平利用原子能的成功范例。
世界上第一座核電站
那么既然核裂變技術(shù)已經(jīng)可以為人類產(chǎn)生巨大的能源，為什么不大力發(fā)展，花費巨資研究核聚變發(fā)電呢？核裂變的利用存在很多非常麻煩的問題：
核裂變的原料是原子量很大的元素。在自然狀態(tài)下，這些元素的含量很低，原料也非常有限。此外，核裂變需要高濃度的材料。從天然材料中提取這些元素也需要大量的時間。大量的能量。為了獲得高純度的鐳，居里夫人從幾十噸礦石中只提取了零點幾克。所以原材料是問題之一。
由于這些重元素非常不穩(wěn)定核聚變和核裂變的應(yīng)用，即使沒有外部能量的輸入，它們也會自發(fā)衰變，即產(chǎn)生核輻射。這種變化將對人類健康和自然生態(tài)造成巨大危害。核裂變產(chǎn)物中仍然存在輻射，因此產(chǎn)生的核廢料非常難以處理。即使填埋也會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。核電站的核泄漏也是一大安全隱患。
因此，人類正在逐步開展另一種核能——核聚變能的研究。核聚變的工作原理與核聚變過程正好相反。核裂變是分裂，核聚變是聚合。
核聚變
核聚變是質(zhì)量較小的原子在超高溫高壓條件下碰撞并在強相互作用下被吸引聚合的過程。在這個過程中，也釋放出大量的能量。那么有些人就會產(chǎn)生疑問。上述裂變釋放能量。為什么聚變也會釋放能量？這個過程不是相反嗎？還有一個核能問題。
四種基本力
質(zhì)子帶正電，因此質(zhì)子由于電磁力而相互排斥。這時，中子在質(zhì)子之間起到“慢化”作用。質(zhì)子和中子之間存在很強的相互作用力。這股力量非常強大，而且只在很短的距離內(nèi)起作用。因此，質(zhì)子之間的排斥力將與強力相平衡，因此原子核緊密地結(jié)合在一起。因此，不同的原子核具有不同的能量。態(tài)，從這條能量曲線我們可以知道，鐵是所有元素中最穩(wěn)定的，這意味著鐵原子攜帶的能量是最低的，也就是核子的平均質(zhì)量是最小的。這時，如果質(zhì)量繼續(xù)增加，質(zhì)子的數(shù)量就會增加，半徑也會增加。 ，強作用力的作用變?nèi)酰|(zhì)子之間的作用力變強，這種排斥力可能會大于強作用力，導(dǎo)致原子核變得不穩(wěn)定，能量變高。因此，輕元素的聚變和重元素的裂變可以釋放能量。
了解了聚變和裂變的能量變化規(guī)律后，接下來繼續(xù)了解聚變的基本過程。
核聚變一般使用輕原子核，例如氘和氚。當(dāng)這兩個原子核融合時，會產(chǎn)生一個氦核和一個中子。并釋放17.6MeV能量。核聚變反應(yīng)最大的特點是可以產(chǎn)生巨大的能量。在相同質(zhì)量下，產(chǎn)生的能量是石油的近800萬倍。 1克核聚變發(fā)電“燃料”幾乎可以產(chǎn)生相當(dāng)于燃燒8噸石油的能量。
核聚變過程
太陽是一個大型核聚變鍋爐。太陽基本上是一個由氫組成的天體。內(nèi)部溫度極高，不斷發(fā)生聚變反應(yīng)，產(chǎn)生巨大壓力。不過，太陽的質(zhì)量也很大，所以也會產(chǎn)生很大的引力。這種內(nèi)部壓力與向內(nèi)的引力相平衡，使得太陽不會爆炸，核聚變反應(yīng)也因此能夠持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)生。
內(nèi)部高溫平衡產(chǎn)生的壓力和重力
人類如果想利用核聚變發(fā)電，就相當(dāng)于先建造一個“人造太陽”，這是能源的來源。實現(xiàn)核聚變的原料是氘核和氚原子核。這些原料在地球上幾乎是無限的，可以直接從水中提取。與裂變相比，聚變基本上不存在失控現(xiàn)象。這是因為聚變需要高溫高壓的條件才能進(jìn)行核聚變和核裂變的應(yīng)用，而我們可以很容易地改變這些條件，使得反應(yīng)可以隨時終止。因此，與核裂變發(fā)電相比，核聚變具有更多的優(yōu)勢。
氕、氘、氚原子核
總結(jié)
通過上面的分析，我們了解了核聚變和核裂變的詳細(xì)原理。核裂變實現(xiàn)起來相對簡單。要實現(xiàn)核聚變的條件，技術(shù)和設(shè)備要求非常高。人類利用核聚變的第一步就是制造“人造太陽”。那么這個“人造太陽計劃”的下一步流程是什么呢？本系列將繼續(xù)一步步詳細(xì)講解。