可控核聚變一旦實現,人類會把地球上的氚用光嗎?畢竟只有幾公斤

可控核聚變是人類正在努力攀登的科技巔峰,這項技術一旦實現,人類就可以獲得源源不絕的清潔能源,從而一舉為人類文明未來的發展鋪平道路。

簡而言之,核聚變其實就是較輕的原子核發生聚合作用,然后生成較重的原子核,并因為質量出現虧損而釋放出大量的能量。作為宇宙中結構最簡單、豐度又高得離譜的氫元素,理所當然地就成為了可控核聚變的最佳原料。

氫元素有三種同位素,分別為氕(H)、氘(D)、氚(T),其中氕原子核其實就是一個質子,氘原子核由一個質子和一個中子構成,氚原子核則包含了一個質子和兩個中子。雖然在宇宙中的氫元素中,氕的相對豐度高達99.9844%,但由于實現氕的核聚變實在太難,人類目前暫時只能想辦法利用氘和氚這兩種氫的同位素。

從理論上來講,氘和氚的核聚變可以有「氘-氘」、「氘-氚」以及「氚-氚」這三種類型,其中「氘-氚」核聚變釋放的能量最多、實現難度又最低,因此在可控核聚變研究領域,目前主要都是以研究如何實現「氘-氚」核聚變,而這也就意味著,在不太遙遠的未來,如果人類真的實現了可控核聚變,就會消耗大量的氘和氚。

相對來講,地球上的氘是夠用的,畢竟在地球的海洋之中就蘊含了大約40萬億噸的氘。然而氚的情況就不一樣了,要知道氚是一種放射性同位素,其半衰期只有大約12.43年,也就是說,氚不可能在地球上長時間地大量存在。

實際上,地球上的氚的主要來源是宇宙射線與地球大氣層的相互作用,由于這樣的事情并不常見,再加上氚的半衰期相對較短,因此地球上天然存在的氚非常少,根據科學家的估算,就算將它們全部收集起來,其總量也只有幾公斤。

這樣的情況不免會令人擔心,可控核聚變一旦實現,人類會把地球上的氚用光嗎?畢竟地球上的氘本來就只有幾公斤,這根本就不夠用啊。

想象一下,人類辛辛苦苦實現了可控核聚變,到頭來卻發現沒有足夠的原料來使用,這確實是挺尷尬的,不過這樣的事情并不會發生,因為氚是可以人工制備的。

就目前的情況來看,人工制備氚主要有兩種途徑,一種是利用中子(n)去轟擊鈹-9(9Be)原子核,然后就可以產生鋰-7(7Li)和氚,其過程可描述為:「9Be + n → 7Li + T」。

另一種是利用中子去轟擊鋰-6(6Li)原子核,然后就可以產生氦-4(4He)和氚,其過程可描述為:「6Li + n → 4He + T」。

另一方面來講,在氘和氚發生核聚變反應之后,會生成氦-4并釋放出中子,其過程可描述為:「D + T → 4He + n」。

也就是說, 氘和氚的核聚變會產生中子,而中子轟擊鈹-9或者鋰-6時,又會產生氚,所以一個合理的設想就是,假如我們在可控核聚變反應裝置的內壁加入鈹-9或者鋰-6,那麼在理想情況下,啟動核聚變反應時所加入的氚,其總量將一直保持不變,而鈹-9或者鋰-6則代替氚變成了消耗的原料。

如此一來,就相當于實現了氚的循環利用,我們也就不必擔心人類會把地球上的氚用光了,當然了,人類也不會去收集地球上天然存在的氚,畢竟它們就只有幾公斤,實在是太少了。實際上,人類最初加入可控核聚變反應裝置中的氚,也只能通過人工制備,盡管氚的制備成本相對較高,但制備出來就可以一直循環使用,對于人類而言這根本不是問題。

值得一提的是,相對而言,人們更傾向于用鋰-6來代替氚作為可控核聚變的「耗材」,這是因為當能量不足的中子(能量小于11.6MeV)轟擊鈹-9原子核時,并不會產生氚,而只會產生氦-4和氦-6(6He),即:「9Be + n(能量小于11.6MeV)→ 4He + 6He」,這不利于氚在反應裝置中的穩定循環。

統計數據表明,截至2021年底,全球鋰資源儲量約為1500萬噸,探明儲量約為6500萬噸,盡管鋰-6在天然鋰中的相對豐度只有7.5%,但這些鋰也足夠人類使用幾十萬年甚至更久,不出意外的話,在幾十萬年之后,人類應該早就實現了以氕為原料的可控核聚變,所以我們也不必擔心未來的人類會將核聚變的原料用完,因為在宇宙中,氕可以說是到處都是。


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