可控核聚变一旦实现,会把地球上的氚用光吗?本来就只有几公斤

可控核聚变是人类正在努力攀登的科技巅峰,这项技术一旦实现,人类就可以获得源源不绝的清洁能源,从而一举为人类文明未来的发展铺平道路。

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简而言之,核聚变其实就是较轻的原子核发生聚合作用,然后生成较重的原子核,并因为质量出现亏损而释放出大量的能量。作为宇宙中结构最简单、丰度又高得离谱的氢元素,理所当然地就成为了可控核聚变的最佳原料。

氢元素有三种同位素,分别为氕(H)、氘(D)、氚(T),其中氕原子核其实就是一个质子,氘原子核由一个质子和一个中子构成,氚原子核则包含了一个质子和两个中子。虽然在宇宙中的氢元素中,氕的相对丰度高达99.9844%,但由于实现氕的核聚变实在太难,人类目前暂时只能想办法利用氘和氚这两种氢的同位素。

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从理论上来讲,氘和氚的核聚变可以有“氘-氘”、“氘-氚”以及“氚-氚”这三种类型,其中“氘-氚”核聚变释放的能量最多、实现难度又最低,因此在可控核聚变研究领域,目前主要都是以研究如何实现“氘-氚”核聚变,而这也就意味着,在不太遥远的未来,如果人类真的实现了可控核聚变,就会消耗大量的氘和氚。

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相对来讲,地球上的氘是够用的,毕竟在地球的海洋之中就蕴含了大约40万亿吨的氘。然而氚的情况就不一样了,要知道氚是一种放射性同位素,其半衰期只有大约12.43年,也就是说,氚不可能在地球上长时间地大量存在。

实际上,地球上的氚的主要来源是宇宙射线与地球大气层的相互作用,由于这样的事情并不常见,再加上氚的半衰期相对较短,因此地球上天然存在的氚非常少,根据科学家的估算,就算将它们全部收集起来,其总量也只有几公斤。

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这样的情况不免会令人担心,可控核聚变一旦实现,人类会把地球上的氚用光吗?毕竟地球上的氘本来就只有几公斤,这根本就不够用啊。

想象一下,人类辛辛苦苦实现了可控核聚变,到头来却发现没有足够的原料来使用,这确实是挺尴尬的,不过这样的事情并不会发生,因为氚是可以人工制备的。

就目前的情况来看,人工制备氚主要有两种途径,一种是利用中子(n)去轰击铍-9(9Be)原子核,然后就可以产生锂-7(7Li)和氚,其过程可描述为:“9Be + n → 7Li + T”。

另一种是利用中子去轰击锂-6(6Li)原子核,然后就可以产生氦-4(4He)和氚,其过程可描述为:“6Li + n → 4He + T”。

另一方面来讲,在氘和氚发生核聚变反应之后,会生成氦-4并释放出中子,其过程可描述为:“D + T → 4He + n”。

也就是说,氘和氚的核聚变会产生中子,而中子轰击铍-9或者锂-6时,又会产生氚,所以一个合理的设想就是,假如我们在可控核聚变反应装置的内壁加入铍-9或者锂-6,那么在理想情况下,启动核聚变反应时所加入的氚,其总量将一直保持不变,而铍-9或者锂-6则代替氚变成了消耗的原料。

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如此一来,就相当于实现了氚的循环利用,我们也就不必担心人类会把地球上的氚用光了,当然了,人类也不会去收集地球上天然存在的氚,毕竟它们就只有几公斤,实在是太少了。实际上,人类最初加入可控核聚变反应装置中的氚,也只能通过人工制备,尽管氚的制备成本相对较高,但制备出来就可以一直循环使用,对于人类而言这根本不是问题。

值得一提的是,相对而言,人们更倾向于用锂-6来代替氚作为可控核聚变的“耗材”,这是因为当能量不足的中子(能量小于11.6MeV)轰击铍-9原子核时,并不会产生氚,而只会产生氦-4和氦-6(6He),即:“9Be + n(能量小于11.6MeV)→ 4He + 6He”,这不利于氚在反应装置中的稳定循环。

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统计数据表明,截至2021年底,全球锂资源储量约为1500万吨,探明储量约为6500万吨,尽管锂-6在天然锂中的相对丰度只有7.5%,但这些锂也足够人类使用几十万年甚至更久,不出意外的话,在几十万年之后,人类应该早就实现了以氕为原料的可控核聚变,所以我们也不必担心未来的人类会将核聚变的原料用完,因为在宇宙中,氕可以说是到处都是。

好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。


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