受控熱核聚變

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簡介

人類一直對太陽充滿好奇。我們總是想知道太陽從哪裡獲得如此巨大的能量，它已經為整個太陽系提供了數十億年的能量。太陽內部一定存在某種持續進行的過程，以光和熱的形式提供如此多的能量。所以答案是，太陽內部存在一個已經持續數十億年的反應，稱為熱核聚變。

熱核聚變

在這個過程中，兩個或多個原子核在極高的溫度下結合或融合，形成兩個或多個更重的原子核以及亞原子粒子，例如中子或質子。

現在問題仍然存在：你如何說兩個或多個原子核的結合會導致如此多能量的釋放？答案是，像中子和質子這樣的亞原子粒子透過稱為核結合能的結合能相互吸引。因此，當原子核發生聚變時，熱核聚變前後結合能發生變化。這導致聚變前後質量的差異，而這個質量差異將負責透過以下公式釋放能量：

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

其中 E = 釋放的能量，m = 反應前後質量的差異，c = 光速。

現在這個過程在太陽內部是連續發生的，氫氣結合形成氦氣並在極高的溫度下釋放能量。因此，我們可以利用同樣的過程在地球上產生能量，用於發電或其他各種工作。這可能嗎？答案是肯定的，但必須以受控的方式進行。這意味著太陽內部發生的熱核聚變是不可控的，我們在地球上無法做到這一點，因為它會產生極大的能量，可能導致破壞。

示例

不受控熱核聚變的一個最佳例子是氫彈，它具有高度破壞性。因此，出現了“受控熱核聚變”這一術語。在此基礎上，我們將嘗試將熱核聚變用於建設性用途。在本教程中，我們將嘗試瞭解受控熱核聚變所需的基本知識。

熱等離子體約束的必要性

正如我們所知，熱核聚變中釋放的能量非常大，因此我們需要以一種不影響外部世界的方式進行該過程。因此，主要問題是熱等離子體的約束。

什麼是熱等離子體？由於熱核聚變產生非常高的溫度，導致氣體電離，這被稱為等離子體。現在，這種等離子體不能直接與任何材料接觸，因為沒有材料能夠承受如此高的溫度。因此，它必須位於真空中。因此，在高壓下，等離子體需要一些外部力來防止其膨脹。這些力可能是防止恆星或太陽膨脹的萬有引力，以及磁約束熱核聚變反應堆中的磁力、慣性約束和靜電約束，用於約束離子。

讓我們詳細瞭解萬有引力和磁約束。

萬有引力約束

在萬有引力約束中，質量的數量起著非常重要的作用。它可能發生在像恆星一樣巨大的天體中。因此，恆星滿足質量的標準。在恆星中，當核心沒有氫氣剩餘時（質量等於太陽質量 8-10 倍的最重恆星）並且所有氫氣都轉化為氦氣時，氦氣開始聚變成碳。這個過程將繼續，其中一些原子核聚變成具有最高結合能的鐵原子核。

磁約束

眾所周知，帶電粒子遵循磁力線作為其軌跡路徑。帶電燃料也是如此，它們也將遵循磁力線並被困在其中，形成約束。

常見問題

Q1. 什麼是核聚變？

答：它是兩個或多個原子核結合形成兩個或多個更重的原子核、亞原子粒子以及大量能量的過程。

Q2. 太陽會發生哪種型別的核聚變？

答：不受控的核聚變將在宇宙中的任何恆星內部發生。因此，在太陽中，是不受控的核聚變產生了熱量和光能。

Q3. 不受控熱核聚變的缺點是什麼？

答：不受控熱核聚變的缺點有：

a) 釋放的能量非常大，它會導致破壞而不是任何有用的工作。例如 - 氫彈

b) 在不受控的熱核反應中，條件非常不可預測。因此，我們無法停止或預測它以用於任何建設性用途。

Q4. 將受控熱核聚變用於建設性用途的主要問題是什麼？

答：其中一個主要問題是在受控熱核聚變中約束熱等離子體。因為在這種情況下溫度非常高，以至於沒有材料能夠承受這種溫度。

Q5. 萬有引力約束的條件是什麼？

答：其中一個主要條件是物體的質量應該非常大，大約是太陽質量的 8-10 倍。