为什么很多人都认为核聚变是人类的终极能源供应？第1页

tu-dou-ni-42 网友的相关建议:

请很多核能或者工程专业的同学多担待一下，本人才疏学浅，另外，对于本文中存在的错误也请不吝赐教。

因为之前的计算太过简陋，误导了很多同学，现在对答案进行大幅度扩充。

这是人类2013年能量消耗的分布图：

图片来自

How Tesla Will Change The World - Wait But Why

其中，核能和可再生能源在饼图中远远落后于传统能源的消耗，在利用率和原料产出上也远远不及。然而核能这块的潜力值无限，供能范围广泛。我们来看这张图：

图片来自

Binding energy - Wikipedia

所谓原子能的释放，在理论上说，就是使平均结合能低的核子转变为平均结合能高的核子，在转变的过程中，增加的结合能被释放出来，有两种方法可以达到这个目的。第一，就是利用重核分裂成两个质量中等的核子，例如铀或者钚反应堆能量的收割。第二，就是将两个或者数个轻核聚合或者融合到一起成为一个相对较重的核子，例如氘和氚相互作用可产生氦和中子，并释放出能量。那么有多少能量呢？

这是传统能源的对比列表：

图片来自

Energy Content in Some Common Energy Sources

1Btu - British Thermal Unit，也就是1 Btu (British thermal unit) = 1055.06 J；

把能量转化为能量密度，可以看到烧煤的质量能量密度（不是体积能量密度）为：

而一个铀-235的原子发生和裂变产生的能量是202.5MeV =

，转化成质量能量密度为：83.14 TJ/kg；

也就是说一个铀-235原子的核裂变，其能量密度是烧煤的280万倍！

下面，再来对比一下核聚变和核裂变

不妨来看看一下：

上述第一个反应是核聚变，最初的氢弹中进行的也就是这个反应：

作为反应物的氘氚核子，摩尔质量为3g/mol和2g/mol，为了计算和比较方便，让二者的物质的量均为1mol，这样我们可以知道，完全参加核反应的2g氘核和3g氚核的数目为：1mol

也就是

个

因此聚变产生的能量的为：

上述第二个反应是核裂变链式反应中的一种，一般地说，铀核的裂变产物可能有三、四十种之多，裂变时产生的碎片也有许多种可能，因此我们就看上面这个反应式子：

当铀-235吸收了一个慢中子之后，形成不稳定的铀-236，作为反应物，摩尔质量为236g/mol，为了计算和比较方便，让其物质的量均为1mol，这样我们可以知道，参加核裂变的236g核子的数目为：

个

因此裂变产生的能量的为：

虽说裂变的能量比聚变要多上那么一些，但是变成质量能量密度的话：

就这两个反应上，核聚变的质量能量密度是核裂变的4倍。同样质量的核燃料，聚变反应会比裂变反应放出更多的能量。

考虑到安全性，下图是锕系元素和裂变产物的半衰期：

图片来自

Nuclear fission product

与核裂变相比较，核聚变所产生的核废料半衰期短、核泄漏危害小、安全性高。

而且，对于核裂变，为了使得链式反应可以正常进行，必须保证由原子核裂变所产生的中子能补偿为引起核反应（包括裂变和不裂变的）或者逸出反应堆而耗损的中子，这条件只有在反应堆（或者铀块）具有一个最低限度的体积时才能实现，这个最低限度的体积叫做临界体积。而氢弹中的氘氚聚变反应不受临界体积的限制，所以，氢弹的爆炸力比原子弹要更加猛烈。

另外，说道氘氚核聚变反应，其原材料可直接取自海水，几乎取之不尽，因而是比较理想的能源取得方式。具体说明见长答案。

截图来自

https://www.youtube.com/watch?v=oHQFNXEKRWI

至于反物质能源，先做到收集起来就不错了。反物质无法在自然界找到，必须在人工环境下合成，是由加速粒子打击固定靶产生反粒子，再减速合成的。此过程所需要的能量远大于湮灭作用所放出的能量，且生成反物质的速率极低，投入产出比为

。如果我们把在欧洲核子研究中心能制造出来的所有反物质组装进行供能的话，这份能量只能维持一个白炽灯泡几分钟。

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（看科普的人可以不看这段）

这是我修改答案前，被知友批评的计算和表述，确实错的很多，承认打脸：

首先在把英文单位写完后，我太着急了，于是在电子伏特之前忘了加"兆"，我承认打脸，这是我的疏忽；

另外，这两个反应的释放能量是，一个氘原子和一个氦原子聚变释放17.6 MeV的能量，以及一个铀原子裂变所释放的能量是177 Mev能量，这个数字不是我瞎编的，我看到的数据来自：

http://www. ems.psu.edu/~radovic/Ch apter13.pdf

Why does nuclear fusion give more energy that nuclear fission?

关于我为什么要用2g而不是2u或者相对原子质量2g/mol，主要是为了让反应物为1mol，简便运算

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动画版：

宇宙的基础货币就是能量。

截图来自

https://www.youtube.com/watch?v=oHQFNXEKRWI

能量小到你的跑步上课，大到可以照亮屋子、培育作物，为城市供电。在自然界里，捕获能量的形式可以有很多：烧一烧化石燃料、裂一裂原子、接一接太阳能、摇一摇锂离子。但上面所提的这几种方案都有自己的缺陷：1）化石燃料以碳排放危害环境，其中一个明显的代价就是全球变暖，更别提它带来的多米诺骨牌效应了；2）核裂变的产物中不少具有高放射性，因半衰期的不同，其泄露的危害也各不相同；3）太阳能电池的转化效率不高，并且现在还没有足够多的电池可以储存足够的能量给阴雨天备用呢；4）锂离子电池是目前最为商业化的能源系统，但其受限于材料的对锂电压、电池的电化学环境等固有上限，续航有限。

截图来自

https://www. youtube.com/watch? v=mZsaaturR6E

然而，我们的太阳看上去具有无限的、免费的能量。那么让我们先了解一下太阳的造血原理吧。

我们的太阳是一颗主序星，通过原子核的融合产生能量。在它的核心，太阳产生以每秒钟6.2亿吨氢的核聚变。

图片来自

Cold Nuclear Fusion Powers the Sun - 1

等等，什么叫做核聚变？？？

简而言之，核聚变是一种热核融合反应，意味着其材质必须要热到无与伦比的程度、热到让原子上的电子离家出走。于是乎，这堆物质就熬成了一锅等离子体汤，在这堆电浆中，原子核和电子自由的翱翔。

截图来自纪录片《宇宙是如何运行的》

而原子核带正电，那么可想而知两个原子核之间的库仑力会阻二者的接近，所以要克服这股排斥力、做掉库伦势垒，粒子必须要动若脱兔、形如闪电，并且还要很好的控制等离子体的密度和约束时间（反应时间），那么也就意味着系统的温度要非常非常的高，要好几百万摄氏度！

图片来自

Nuclear Fusion in the Sun

恒星会通过“作弊”来达到这种温度，因为身型硕大，核心的压力产生的热量会把核子们挤成一团，然后将它们融到一块，这样会创造出较重的原子核，并在过程中释放出大量的能量。

截图来自

https://www. youtube.com/watch? v=mZsaaturR6E

这份能量令无数科学家为之折腰，以至于他们想要在核融合反应堆中进行收割。不过，就算在热度巨大、密度极高的太阳中心，平均算起来，每个质子也要等待数十亿年才能参与一次聚变。不仅如此，要使聚变的能量可以得到有效利用，内部原子核的利用率必须得到提升，因此把反应温度提高到数千万度或者施加极大的压强来实现自持聚变反应并获得能量的增益是唯一可能的途径，这其中所依赖的一个重要原则就是劳森判据（标准）。在地球上，像太阳一样如此暴力地产生核聚变是不可能的，因此想要达到劳森判据的难度很大。

图片来自

https://www. youtube.com/watch? v=gS1dpowPlE8

核聚变反应速度会一直与温度一起上升，直到最大反应速率温度后、逐渐下降。氘氚反应速度峰值的温度是最低的（约70 keV或八亿度k）

引自

Lawson criterion

不过，这是难不倒地球人的。

迄今为止，科学家已经发明了两种使电浆热到足以产生融合的方式。

第一类型： 磁约束聚变

把等离子浆挤压在甜甜圈形状的空间里，拘束住高热等离子体中的带电粒子，使它进行螺线运动，进一步加热等离子体，这里面就会发生核聚变。

截图来自https://www.youtube.com/watch?v=mZsaaturR6E

这些磁力可以约束反应炉，典型如法国的 I.T.E.R（International Thermonuclear Experimental Reactor，国际热核聚变实验反应堆）：

图片来自ITER - Wikipedia

透过液态氦冷却的超导体电磁铁，使其温度被降到离绝对零度不到几度，这也就意味着里面存在已知的宇宙中含有的最大的温差！

第二类型：惯性约束聚变

这种技术使用超高能量的雷射脉冲，来加热燃料丸的表面，使其内爆，因为时间极短，燃料的热度又极大、密度极高，因此达到产生融合的临界。

下面是维基的注解：

以激光进行惯性约束聚变的图解。蓝色箭头代表激光；橘色代表固态球状核燃料向外爆裂的力量；紫色代表因激光热能而产生向内的惯性作用力。
1. 激光光束，或是以激光产生的X光，快速加热燃料球表面，在周围形成等离子体。
2. 燃料核因为表面爆裂产生向内的反作用力，遭到挤压。
3. 当燃料核的密度比铅还大二十倍，温度到达100,000,000˚C，进入最后阶段。
4. 压缩后的燃料核，产生的热量快速向外放射，发散的能量是激光光束加在燃料球上的数倍。

引自Inertial confinement fusion

事实上，世界上最强大的雷射之一正是用于核融合实验，它位在美国的国家点火设施。这些实验以及其他世界各地的类似设施，到目前为止都还只是实验，科学家们仍在开发这项科技，虽然他们可以实现融合。目前，做这实验要花的电比核融合产生的电还多，在有商业价值之前，这项科技还有很长的路要走。截图来自https://www.youtube.com/watch?v=mZsaaturR6E

也许这永远不会成功，也许在地球上建造一个可行的核融合反应炉是不可能的，但如果我们做到了，它的效能会非常高，一杯海水就可以产生，跟一桶油一样多的能量，而且不会产生废气。这是因为核融合反应炉将使用氢或氦作为燃料，而海水有满满的氢。

截图来自https://www.youtube.com/watch?v=mZsaaturR6E

但不是任何的氢都可以用，必须使用具备额外中子的氢同位素，就是所谓的氘和氚，才能产生正确的反应。氘是稳定的，在海水里就可以找到很多，不过氚有点难对付，它有放射性，并且全球可能只有20公斤的氚，大多在核弹头里，所以它非常昂贵。

截图来自https://www.youtube.com/watch?v=oHQFNXEKRWI

因此，我们需要氘的核融合好友，我们不用氚，而是用氦的同位素——氦-3；它可能是一个很棒的替代品，不幸的是，它在地球上极其稀少。但在月球这里可能有答案。几十亿年间，太阳风可能已经在月球上堆满了，大量的氦-3，我们不用亲自生产氦-3，我们可以去挖掘它。

截图来自https://www.youtube.com/watch?v=mZsaaturR6E

如果我们可以把月球尘埃过筛，寻找氦，那我们就会有足够的燃料让全世界使用几千年，如果你不支持月球基地的话，这是建立月球基地的又一个理由。

好吧，也许你认为制造一个小型太阳，听起来有点危险，但他们实际上比大多数其他类型的发电厂更安全，核融合反应炉并不像普通的核电厂，它不会灾难性的融解，如果约束失败了，那么里面的等离子体浆会扩大并冷却，导致核反应停止，简单地说，它不会变成炸弹。

截图来自https://www.youtube.com/watch?v=mZsaaturR6E

当然，放射性燃料的释放，比如说氚可能对环境造成威胁。氚可以与和氧结合，产生有放射性的水

这可能是危险的，因为它会渗透到环境里面。幸运的是，我们每次使用的量不会超过几公克，所以泄漏物很快会被稀释掉，所以，我们刚告诉你世界上有几乎无限的能量，又不必牺牲环境，就存在在水里。

图片来自Nuclear Decay | Chemistry@TutorVista.com