核能的发现和应用,是人类科学史上最重要的事情之一 。
第二次世界大战美国在日本引爆了两枚原子弹(核裂变原理),几年之后又发明了威力更加恐怖的氢弹(核聚变原理),然而可惜的是,这些都是军事用途的武器,如果这些巨量的能量能用在造福人类方面,那该多好啊!
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为此科学家们着手开始研究如何将这些核反应变得“温顺”下来,最先成功的是核裂变,我们现在常说的核电站,其能量来源靠的就是核裂变 。不过核裂变电站也有弊端,一来是核原料十分昂贵且有限,二则是核裂变会产生具有长期放射性的核废料,其处理也是很头疼的事情 。
于是科学家们就把希望寄托在了核聚变身上,可天底下哪有容易的事啊,虽然核聚变避免了上述的两个弊端,但核聚变的启动条件却极其困难!一个简单的例子,就说氢弹吧,虽然说是核聚变,但它的点火却要由核裂变进行,通俗说就是氢弹的引爆靠的是它内部的一颗小原子弹爆炸启动的!
然而疑问来了,既然氢弹的引爆需要内部的原子弹完成,那天上的那颗寿命已达46亿年的太阳靠的是啥呢?我们不是总说太阳的能量来源是核聚变吗?那它这长达46亿年的核聚变是怎么维持的呢?为什么太阳没有像氢弹那样一轰而散呢?
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为什么氢弹只能瞬间爆炸?首先我们需要知道有三种途径可以制造出核聚变的前提环境,分别为:惯性约束、磁场约束、引力场约束 。
虽然氢弹的引爆是依靠内部原子弹的功劳,但这依旧属于上面三种约束之一的惯性约束 。
简单看一下氢弹的爆炸过程就能理解:首先引爆氢弹内部的原子弹,之后在极短的时间内(百万分之几秒)将聚变的核材料加热压缩,达到高温高密度状态,随之核聚变反应被点燃开始释能,而这个过程同样也是非常短暂的,短到氢弹内部的那些材料还没有来得及因为膨胀而飞散开之前,大部分核材料就发生聚变反应了 。
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可以看出,氢弹之所以释放出如此巨大的能量,依靠的就是核材料本身的惯性约束,使得在弹体四散前,就完成了足量的核聚变反应,但遗憾的是,毕竟约束方式依靠的仅仅是惯性,因此这也决定了大部分的能量释放必须是在极短的时间内完成,所以氢弹的表现只能是瞬间爆炸,而无法在可控的前提下进行,换句话说就是氢弹的能量没法收集利用起来,但作为军事武器,倒是十分符合 。
但这并不意味着惯性约束是没法实现可控核聚变的,事实上此类研究早已进行,比如美国在2009年建成的国家点火装置,目的就是从惯性约束层面进行可控核聚变的探索和研究 。
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说一个惯性约束核聚变的方式吧,以直接驱动为例:利用激光照射一颗核材料靶丸(很小,毫米级直径),将其表面加热并形成等离子体,等离子体会朝外喷射,进而作用于剩余靶丸,使其压缩,因此最内部会达到高温高密状态,产生核聚变反应,释放能量,而这些能量在朝外散出时,又会将次外层核材料点燃,以此类推,最终整个靶丸完成核聚变,当然了,这一系列过程都会在靶丸完全解体前完成(也就是惯性约束) 。
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如果能够接连不断地引爆靶丸,就能产生持续的能量输出 。
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