受控热核聚变

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简介

人类一直对太阳充满好奇。我们总是想知道太阳从哪里获得如此巨大的能量，它已经为整个太阳系提供了数十亿年的能量。太阳内部一定存在某种持续进行的过程，以光和热的形式提供如此多的能量。所以答案是，太阳内部存在一个已经持续数十亿年的反应，称为热核聚变。

热核聚变

在这个过程中，两个或多个原子核在极高的温度下结合或融合，形成两个或多个更重的原子核以及亚原子粒子，例如中子或质子。

现在问题仍然存在：你如何说两个或多个原子核的结合会导致如此多能量的释放？答案是，像中子和质子这样的亚原子粒子通过称为核结合能的结合能相互吸引。因此，当原子核发生聚变时，热核聚变前后结合能发生变化。这导致聚变前后质量的差异，而这个质量差异将负责通过以下公式释放能量：

$\mathrm{\Rightarrow\: E\:=\: mc^{2}}$

其中 E = 释放的能量，m = 反应前后质量的差异，c = 光速。

现在这个过程在太阳内部是连续发生的，氢气结合形成氦气并在极高的温度下释放能量。因此，我们可以利用同样的过程在地球上产生能量，用于发电或其他各种工作。这可能吗？答案是肯定的，但必须以受控的方式进行。这意味着太阳内部发生的热核聚变是不可控的，我们在地球上无法做到这一点，因为它会产生极大的能量，可能导致破坏。

示例

不受控热核聚变的一个最佳例子是氢弹，它具有高度破坏性。因此，出现了“受控热核聚变”这一术语。在此基础上，我们将尝试将热核聚变用于建设性用途。在本教程中，我们将尝试了解受控热核聚变所需的基本知识。

热等离子体约束的必要性

正如我们所知，热核聚变中释放的能量非常大，因此我们需要以一种不影响外部世界的方式进行该过程。因此，主要问题是热等离子体的约束。

什么是热等离子体？由于热核聚变产生非常高的温度，导致气体电离，这被称为等离子体。现在，这种等离子体不能直接与任何材料接触，因为没有材料能够承受如此高的温度。因此，它必须位于真空中。因此，在高压下，等离子体需要一些外部力来防止其膨胀。这些力可能是防止恒星或太阳膨胀的万有引力，以及磁约束热核聚变反应堆中的磁力、惯性约束和静电约束，用于约束离子。

让我们详细了解万有引力和磁约束。

万有引力约束

在万有引力约束中，质量的数量起着非常重要的作用。它可能发生在像恒星一样巨大的天体中。因此，恒星满足质量的标准。在恒星中，当核心没有氢气剩余时（质量等于太阳质量 8-10 倍的最重恒星）并且所有氢气都转化为氦气时，氦气开始聚变成碳。这个过程将继续，其中一些原子核聚变成具有最高结合能的铁原子核。

磁约束

众所周知，带电粒子遵循磁力线作为其轨迹路径。带电燃料也是如此，它们也将遵循磁力线并被困在其中，形成约束。

常见问题

Q1. 什么是核聚变？

答：它是两个或多个原子核结合形成两个或多个更重的原子核、亚原子粒子以及大量能量的过程。

Q2. 太阳会发生哪种类型的核聚变？

答：不受控的核聚变将在宇宙中的任何恒星内部发生。因此，在太阳中，是不受控的核聚变产生了热量和光能。

Q3. 不受控热核聚变的缺点是什么？

答：不受控热核聚变的缺点有：

a) 释放的能量非常大，它会导致破坏而不是任何有用的工作。例如 - 氢弹

b) 在不受控的热核反应中，条件非常不可预测。因此，我们无法停止或预测它以用于任何建设性用途。

Q4. 将受控热核聚变用于建设性用途的主要问题是什么？

答：其中一个主要问题是在受控热核聚变中约束热等离子体。因为在这种情况下温度非常高，以至于没有材料能够承受这种温度。

Q5. 万有引力约束的条件是什么？

答：其中一个主要条件是物体的质量应该非常大，大约是太阳质量的 8-10 倍。