前面指出,所谓原子能主要是指原子核结合能发生变化时释放的能量,因此核能的利用除了裂变这一途径之外,还有轻核的聚变反应。从结合能图我们容易发现,在轻核区结合能时高时低,变化很大,如、、、等原子核的核子平均结合能比一般轻原子核大得多,所以当轻原子核结合成上述几种原子核时,也可以放出大量的能量,这种核转变称为聚变。例如
由于原子核之间的库仑推斥作用,两个核互相接近而产生聚变反应时,必须具有一定的动能来克服库仑势垒,而库仑势垒随着原子序数的增加而增大,所以仅对于具有低原子序数的核,才能发生核聚变。具有一定动能的质子、氘核等轻核构成的物质具有极高的温度(为量级)时,在这样的高温下,原子都处在电离状态,形成等离子体。另外,要实现核聚变,除了高温以外,还需要使等离子体有足够大的密度,并且保持这样的条件持续足够长的时间。由以上可见,实现聚变反应,要比裂变反应困难得多。
现在我们来估算一下使两个原子序数为和的核发生核反应时所需的最低能量。根据经典电磁场理论,两个核的电势能为
其中等于两核半径之和,约为,于是我们得到
这就是势垒的高度,也就是两个核发生核聚变所需要的最小动能值。如果相碰撞核的动能小于,就不能发生聚变,然而在稍低于的能量下,由于势垒穿透,仍有若干聚变概率。与这个能量对应的温度约为109K,因此,要使大量的轻原子核发生聚变反应,就得把反应物质加热到极高温度,这种通过加热而引起的聚变反应称为热核反应。
恒星,包括太阳和其他星球,包含的主要元素是氢。巨大的物质,产生强大的引力,使这些元素处于高温高压的等离子状态,从而产生核聚变反应。星球中的一个核聚变反应是质子-质子循环,又称克里齐菲尔德(C. L. Crichfield)循环。这个循环的一系列核反应为
经过一个循环后,碳和氮并不有所增减,它们只起一种中间作用.在这过程中释放出来的能量约为MeV,即每消耗1kg核约释放能量。在太阳中,一个碳原子通讨这个循环所需的时间约为。
恒星上所发生的另一重要的聚变过程是碳氮循环,又称贝蒂(H. A. Bethe)循环
反应的结果也是将四个质子结合成一个氦核,放出的能量仍然是MeV左右。在太阳中,质子-质子循环的周期约为。
上述两个循环,在恒星中那个起主要作用,取决于恒星的中心温度。当恒星中心温度时,上述两个循环能量的产生率相等。当时,碳氮循环是主要的;时,质子-质子循环是主要的。太阳的中心温度为,因此,在太阳和类似结构的星体中,现在质子-质子循环比碳氮循环占优势,但在比较年轻的星体中,情况则相反,碳氮循环更重要。在温度高得多的较老星体中,还可能发生其他类型的聚变反应。据估计,在太阳中发生聚变反应的速率为每秒有的氢聚变成氦,与此相对应,释放的功率,其中大约只有主要以电磁辐射的形式投射在地球上。然而,这个功率仍比地球上产生的工业用功率要大105倍。 |