核裂变与核聚变
从结合能曲线出发,看清裂变与聚变为何都能释放能量
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核裂变与核聚变
从结合能曲线出发,看清裂变与聚变为何都能释放能量
核裂变
核电站里一根铀棒能供一座城市用电一整天,贫铀弹能击穿坦克装甲——这些惊人能量的源头都指向同一个过程。
裂变放出的新中子撞开下一个核,类比一张多米诺撞倒下一张
临界质量
上页提到,裂变每次平均释放2-3个中子,但并非每个都引发下一次裂变——有些从表面逃逸,有些被杂质吸收。问题是:放多少裂变材料,才能让新产生的中子恰好补上损失的中子?
木柴太少,热量从表面散失超过燃烧产出,火焰熄灭;材料太少,中子逃逸超过产生,反应停下
慢化剂
上页讲了临界质量。但链式反应还有道坎:裂变释放的中子太快(~2 MeV),而 U-235 对慢速「热中子」截面最大。所以需要给中子「踩刹车」——这就是慢化剂的活。
白球每碰一颗红球速度都降一点,多碰几次就从飞驰变慢滚——中子在氢核之间也是这样
控制棒
慢化剂让中子跑得恰到好处,链式反应得以维持。可一旦反应过快,堆芯温度飙升——这时就需要一个'反着来'的家伙。
拧得越紧水越小,类似棒插得越深反应越慢;但拧死水龙头水立刻停,插到底堆芯仍有衰变热
核电站
前几页我们学会了让链式反应可控地持续——控制棒插多深、慢化剂怎么选。但裂变释放的还只是一股'热'。怎么把这股热变成电、送到城市里?这就是核电站要回答的问题。
核燃料像炉膛里的煤,裂变放热烧一回路的水,但水被高压憋住不沸,靠二回路换出蒸汽推涡轮
热核反应
上页核电站走的是裂变。聚变这边第一步就卡在一堵电磁墙上——两个轻核都带正电,越靠越近斥力越强。温度就是撞穿这堵墙的那把钥匙。
高温给核的动能是「力气」,足够大时隧穿概率陡升,强力接力把核粘住
磁约束
上亿度的等离子体,没有任何材料能装下——连最耐热的钨也会瞬间气化。怎么办?换一种看不见的"容器"。
球碰不到墙却跑不掉——被磁场牢牢关住
惯性约束
上页讲磁约束用磁场把等离子体'长时间关住'。还有一条完全相反的路——不关,用强激光瞬间把燃料挤爆,让它在飞散的瞬间就完成聚变。这就是惯性约束聚变(ICF)。
都是把燃料极速压缩,让它在飞散前达到自燃条件;区别是柴油烧化学键,ICF烧原子核
链式反应
上一页说临界质量让裂变能「自续」,但「自续」到底是怎么发生的?这一节拆开链式反应的黑箱:从中子怎么翻倍,到 k 该等于几,再到人类怎么把它压稳。
一张倒下去推倒下一张,但核反应里这张「牌」每次会变成 2~3 张,且可被中子毒物中途抽走
核反应堆
前面讲的慢化剂、控制棒、临界质量都是零件——核反应堆就是把这些零件组装起来、让链式反应受控持续进行的装置。它和原子弹共用同一物理,但目标相反:一个要稳定输出热,一个要瞬间释放能。
都是持续放热装置:炉膛=堆芯,柴火=燃料,风门=控制棒;目标都是稳定输出热能
核聚变
上页核裂变是把'大铀核'掰碎;反过来,把两个'小核'硬压到一起合并成更大的核,也能释放能量——这就是核聚变。太阳每秒钟烧掉六亿吨氢,本质就是在干这件事。
磁铁同极相斥,要让它们合在一起需要极大外力;聚变所需的高温本质上就是这种'外力'
本节要点
- ✓核能本质是质量亏损转化为能量
- ✓重核趋向分裂、轻核趋向聚合,能量向铁-56汇聚
- ✓裂变已工程化,聚变仍卡在点火与持续燃烧
- ✓裂变控制链式反应,聚变创造极端条件,工程难点相反
课后思考
先合上书自己想,再对照参考答案。三个问题对应:回顾核心、思考应用、探索边界。
参考答案结合能曲线显示:中量核(如铁-56附近)每个核子的结合能最大。比铁重的核裂变会向铁靠拢释能,比铁轻的核聚变也会向铁靠拢释能。'重核分、轻核聚'是同一原理的两面。
参考答案燃料:氘可从海水中提取,几乎无限;废料:产物主要是氦,几乎无长寿命放射核废料;失控:聚变需极端条件维持,条件不满足自动熄灭,不像裂变存在失控链式反应风险。三个维度都有根本性优势。
参考答案不可妥协的是温度(必须克服库仑势垒让两核靠近)。可以打折扣的是密度与压力——托卡马克用低密度+长时间约束替代太阳的高密度。劳森判据三要素中,温度是硬门槛,密度与约束时间可互补。