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氕

太阳内部进行核聚变的元素是氕还是氘还是氚?为什么人类研究可控核聚变不能利用氕?

我们都知道太阳发光发热是通过氢核聚变产生的,而我们人类制造的氢弹以及可控核聚变技术也都是通过氢核聚变产生的,然而它们的氢核聚变方式却并不一样。

核聚变是在极端的高温高压环境下促成的,它必须能使原先的原子结构破解重组,生成新的原子才能发生,元素周期表上位于铁元素之下的元素核聚变都可以在这一过程中产生能量,其中以氢元素的聚变产生的能量最多。

太阳是一个质量巨大的自然天体,是我们地球质量的33万倍,其内部可以产生足够的高温高压,在超过400万开尔文的温度下,在物质密度是固态铅的十倍以上的情况下,就可以将它内部的氢元素进行聚变了。

氢元素有三种同位素:氕、氘、氚。

在恒星的内部,第一步聚变就是将两个氕核聚变为氘核,并释放一个中微子和正电子,这时候就有能量产生了。

而当正电子遇到周围的电子,就会湮灭为两个光子,这就是太阳光的最初起源。

而两个氕原子转变形成氘后,又会以两个氘原子核聚变转变成氦原子,这一过程中也可以释放大量能量并产生光子。

但是我们人类所利用的氢弹核聚变以及可控核聚变技术都是将氘或者和氚聚变成氦,并没有太阳氢核聚变中的氕原子转变成氘原子,配合太阳的氢核聚变并不相同,人类所利用的氢核聚变能量的释放相对于太阳的能量聚变方式来说要少多了。

太阳内部有着1500万摄氏度的高温,压力更是非常巨大,内部的物质密度也非常高,所以太阳可以将氕、氘、氚三种氢的同位素进行核聚变,每秒钟就有400万吨左右的氢同位素被聚变释放能量,所以太阳才能是一颗能量巨大的恒星。

我们的地球距离太阳约1.5亿公里远,但我们仍然能感到太阳光辉的温暖,地球上的万物生命也都依赖着太阳的温暖光辉。

答: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,可以做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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