太阳的核聚变反应如何进行的,为何人类不使用氕作为核聚变材料?

在太阳内部,同时进行着氢的同位素氕和氘的聚变反应,氘的含量极低;其中氕核聚变速度很慢,决定着氢向氦融合的速率,也限制了人类无法使用氕作为可控核聚变材料。

学习化学元素周期表时,我知道氢有三种同位素:氕[piē]、氘[dāo]、 氚[chuān],分别用字母H、D、T来表示。

在恒星内部,主要进行着氢元素向氦元素聚变的过程,太阳刚形成时,氢元素中的“氕”占了绝大部分质量,当太阳内的核聚变反应被点燃后,氕核会发生如下几步反应:

第一步:

1H+1H→2D+e(+)+v,ΔE=1.442MeV,Q(v)=0.265MeV;

其中v是中微子,e(+)为正电子,可以看成两个氕核先聚变为氦-2,由于氦-2极不稳定,立马又衰变为氘核;这一步反应非常慢,因为质子变为中子的过程是需要吸收能量的。

第二步:

2D+1H→3He+γ,ΔE=5.494MeV;

一旦有了氘核,就可以与氕核进行下一步聚变生成氦-3,部分氦-3还会被太阳风吹走,然后落到没有磁场和大气的月球表面,所以月球上拥有丰富的氦-3资源。

第三步:

3He+3He→4He+2H,ΔE=12.860MeV;

氦-3聚变是一个完美的过程,不仅释放能量高,而且没有中子生成,生成物中的氕核由于带正电荷,很容易对其进行隔离和屏蔽;所以氦-3的聚变,可以作为未来可控核聚变的清洁核能源。

此后的聚变将会变得非常复杂,涉及很多聚变过程,还有多个比氦重的元素参与反应,但是最终的产物都是氦-4;比如反应8Be→2(4He),7Li+1H→2(4He)。

所以在太阳内部,整体反应就是氢元素向氦元素聚变;人类在托卡马克装置中可以制造上亿度的高温,氢弹爆炸温度也上亿度,而太阳内部温度只有1500万度。

但是太阳内部有着极高的压力,虽然人类制造的温度更高,但是由于压力太低,使得现有技术无法实现氢核参与聚变;在可控核聚变中,氘核与氚核的聚变是最容易的,其次就是氦-3的聚变过程。

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