第1个回答 2022-07-01
核聚变和核裂变，顾名思义，都是发生在原子核之间的反应。随着原子核发生了裂变和聚变，大量的能量被释放了出来。看到这里有的小伙伴就会问，原子核那么小，发生一点细微的变化怎么还会释放出大量的能量呢？
这一切，都要从爱因斯坦的质能方程说起：
根据质能方程，我们能得到一个结论：哪怕是再小的质量变化，由于光速这一个二次项的存在，也会产生释放出巨大的能量。
举个例子，铀（U）-235和钚（Pu）-239这两种重原子核在受到中子的轰击时，通常会分裂变成两个中等质量的新核，同时再放出2-3个中子和200兆eV的能量，也就是接近0.003焦耳的能量，这个能量看似很小，但是要知道，在一个裂变系统中，第一次裂变时放出的中子还会继续参加第二次、第三次。。。。。第N次的裂变，而每次裂变都会产生新的中子，随着中子的数量以指数形式增长，产生的能量也随之剧增。当下一代中子有两位数时，1KG的U或Pu中，会有2.5*10^24次方原子核发生裂变，而裂变需要的时间极为短暂，在不到1微秒的时间内，这个反应产生的能量就相当于2万吨TNT的当量，而这，也就是原子弹的原理。
谈完了裂变，我们再来说说聚变：
刚才提到发生裂变反应式可以释放出巨大能量，但是裂变所需要的都是类似于U或Pu的重金属元素，而这类元素在地球上含量极为稀少；同时，裂变反应堆会产生长寿命而且放射性较强的核废料（参考日本福岛），这些因素都限制了裂变的使用，因此越来越多的科学家将视线投向了聚变。
聚变与裂变恰恰相反，需要的元素种类越轻越好，因此科学家们对氢元素的同位素-氘产生了浓厚的兴趣。
1939年，美国科学家贝特做了这样一个实验，他把一个氘原子核用加速器加速后和一个氚（氢的另一种同位素）原子核以极高的速度碰撞，让人意想不到事情发生了两个原子核竟然发生了融合，形成了一个新的原子核-氦外加一个自由中子，在这个过程中时放出了17.6兆eV的能量，而这也恰恰是太阳持续45亿年发光发热的原理。
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这就是聚变的原理，那么什么叫可控核聚变呢？
早在1933年，核聚变的原理就被提出，而5年后，改变世界格局的核裂变才被发现。核聚变反应堆的原理很简单，很好理解，只不过实现起来对于当时的人类技术水准，几乎是不可能的。第一步，作为反应体的混合气必须被加热到等离子态——也就是温度足够高到使得电子能脱离原子核的束缚，原子核能自由运动，这时才可能使得原子核发生直接接触，这个时候，需要大约10万摄氏度的温度。第二步，为了克服库仑力，也就是同样带正电荷的原子核之间的斥力，原子核需要以极快的速度运行，得到这个速度，最简单的方法就是——继续加温，使得布朗运动达到一个疯狂的水平，要使原子核达到这种运行状态，需要上亿摄氏度的温度。然后就简单了，氚的原子核和氘的原子核以极大的速度，赤裸裸地发生碰撞，产生了新的氦核和新的中子，释放出巨大的能量。经过一段时间，反应体已经不需要外来能源的加热，核聚变的温度足够使得原子核继续发生聚变。这个过程只要氦原子核和中子被及时排除，新的氚和氘的混合气被输入到反应体，核聚变就能持续下去，产生的能量一小部分留在反应体内，维持链式反应，大部分可以输出，作为能源来使用。看起来很简单是吧，只有一个问题，你把这个高达上亿摄氏度的反应体放在哪里呢？迄今为止，人类还没有造出任何能经受1万摄氏度的化学结构，更不要说上亿摄氏度了。这就是为什么一槌子买卖的氢弹已经制造了50年后，人类还没能有效的从核聚变中获取能量的唯一原因。好了，人类是很聪明的，不能用化学结构的方法解决问题，我们就用物理的试验一下。早在50年前，两种约束高温反应体的理论就产生了，一种是惯性约束。这一方法把几毫克的氘和氚的混合气体装入直径约几毫米的小球内，然后从外面均匀射入激光束或粒子束，球面内层因而向内挤压。球内气体受到挤压，压力升高，温度也急剧升高，当温度达到需要的点火温度时，球内气体发生爆炸，产生大量热能。这样的爆炸每秒钟发生三四次，并持续不断地进行下去，释放出的能量就可以达到百万千瓦级的水平。这一理论的奠基人之一就是我国著名科学家王淦昌。另一种就是磁力约束，由于原子核是带正电的，那么我的磁场只要足够强大，你就跑不出去，我建立一个环形的磁场，那么你就只能沿着磁力线的方向，沿着螺旋形运动，跑不出我的范围，而在环形磁场之外的一点距离，我可以建立一个大型的换热装置（此时反应体的能量只能以热辐射的方式传到换热体），然后再使用人类已经很熟悉的方法，把热能转换成电能就是了。苏联科学家塔姆和萨哈罗夫提出的这种方法相对于惯性约束，世界受控核聚变研究，主要集中在这个领域上。
我们国家在这个领域有先天的优势，加上机遇很好，走到世界第一集团，不是偶然的。说先天优势，是因为我们有王淦昌先生这样一批理论上的大师，使得我们的基础并不落后。国家对于能源的重视不是一天两天了，自1956年的12年科学规划以来，核聚变的研究已经进行了半个世纪，积累了大量的经验。还有一个祖宗留给我们的好礼物：内蒙古白云鄂博的稀土资源。它使得我们的超导工艺和激光技术并不落后——这可是受控核聚变的重要组成部分。说我们机遇好，一方面是当年苏联解体，俄罗斯贱卖家底，我们得到了俄国的HT-7超托卡马克，使我们跨越性的认识了这一系统。另一方面，国际扯皮使得ITER拖了近20年，我们赢得了追上去的机会，试想1985年ITER正式开建，怎么可能有中国的事情？中国人在这个关乎人类生存的领域，总算占有了一席之地，希望能良好地发展下去，早日求得正果，若如此，不仅为华夏之福，更是寰宇之大幸也。
革命尚未成功，同志仍需努力！