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核融合反應爐之懶人包

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什麼是核融合?

核融合,又稱核聚變、融合反應或聚變反應,是將兩個較輕的核結合而形成一個較重的核和一個很輕的核(或粒子)的一種核反應形式。在此過程中,物質沒有守恆,因為有一部分正在聚變的原子核的物質被轉化為光子(能量)。核融合是給活躍的或「主序的」恆星提供能量的過程。

兩個較輕的核在融合過程中產生質量虧損而釋放出巨大的能量,兩個輕核在發生聚變時因它們都帶正電荷而彼此排斥,然而兩個能量足夠高的核迎面相遇,它們就能相當緊密地聚集在一起,以致核力能夠克服庫侖斥力而發生核反應,這個反應叫做核融合。

舉個例子:兩個質量小的原子,比方說氘和氚,在一定條件下(如超高溫和高壓),會發生原子核互相聚合作用,生成中子和氦-4,並伴隨著巨大的能量釋放。

原子核中蘊藏巨大的能量。根據質能方程式E=mc²,原子核之淨質量變化(反應物與生成物之質量差)造成能量的釋放。如果是由重的原子核變化為輕的原子核,稱為核分裂,如原子彈爆炸;如果是由較輕的原子核變化為較重的原子核,稱為核融合。一般來說,這種核反應會終止於鐵,因為其原子核最為穩定。

核融合基本原理 

核融合將諸如氫原子核一類的較輕的原子核結合形成較重的原子核。原子核帶正電,故庫侖力會阻礙原子核的結合。克服庫侖勢壘需要大量的能量。輕核所帶的電荷少,因此它們聚變時需要克服的勢壘越小,釋放出的能量就越多。隨著原子核質量的增加到一個臨界點時,融合反應所需克服的勢能大於反應放出的能量,即沒有淨能量產生。這一臨界點是鐵-56。

氘核與氚核是核融合的最佳燃料。它們都是氫原子核的重同位素。由於中子與質子比相對較高,它們的勢壘也就較小。電中性的中子通過核力使得原子核中的核子緊密地結合在一起。氚核的中子與質子比(2個中子,1個質子)是穩定原子核中最高的。增加質子或減少中子都會使得克服勢壘所需的能量變多。

一般條件下氘核與氚核的混合態不會產生持續的核融合。由於核子之間的距離小於10fm才會有核力的作用,因此核子必須靠外部能量聚合在一起。就算在溫度極高,密度極大的太陽中心,平均每個質子要等待數十億年才能參與一次聚變。要使聚變能夠實際應用,原子核利用率必須大幅提升:溫度提升到數千萬度,或施加極大的壓強。實現自持融合反應並獲得能量增益的關於密度和壓強的必要條件就是勞森準則。這一準則自1950年代氫彈爆炸成功而聞名,而在地球上實現勞森準則十分困難。<維基百科>


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