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核聚变是一种极为强大的能量来源,毫不夸张的讲,如果实现了可控核聚变,那人类文明就将会出现飞跃式的发展,正因为如此,科学家们也一直在致力于可控核聚变的研究。
简单来讲,核聚变反应其实就是较轻的原子核聚合成较重的原子核的过程,在已知宇宙中的所有元素中,氢元素的结构最简单,丰度也是宇宙第一,并且远远超过其他的元素,因此氢元素自然也成为了人类研究可控核聚变的首选原料。
氢有三种同位素,即:氕(H)、氘(D)、氚(T),其中氕原子核中只有一个质子,氘原子核中有一个质子和一个中子,氚原子核中则有一个质子和两个中子。
就目前的情况来看,可控核聚变主要研究的是氘和氚的核聚变,至于氕的核聚变,则因为其发生核聚变需要的条件过高而暂时没有研究。所以我们也不难想象,如果未来人类真的实现了可控核聚变,应该是会大量消耗氘和氚的。
地球的海洋中蕴含着大量的氘,根据科学家的估算,其总储量大约有40万亿吨,所以我们不必为氘的来源发愁,但问题是,氚却是一种不稳定的同位素,其半衰期只有大约12.43年,而地球上的氚主要由宇宙射线产生的,其生成氚的效率本来就很低,再加上衰变,因此地球上的氚其实极为稀有,科学家估计,其总储量也就只有几公斤。
这就不免会令人担心,可控核聚变一旦实现,地球上的氚会被用光吗?毕竟本来就只有几公斤。实际上,我们根本就不必为此感到担心,因为虽然地球上自然存在的氚少得可怜,但我们却可以用人工制造氚。
首先,我们需要简单了解一下宇宙射线是如何在地球上产生氚的。
所谓宇宙射线,是指来自外太空的高能亚原子粒子,在它们之中,有可能存在着快中子(能量极高的中子),当快中子轰击地球大气层中构成气体分子的原子时,就可能将其原子核“击碎”,而一部分“碎片”,就可能形成氚,比如说快中子轰击大气层中的氮-14原子核时,就会生成碳-12和氚,而这就是地球上自然存在的氚的主要来源之一。
实际上,这其实就是人工制造氚的原理,不过由于我们很难制造出像宇宙射线那么高能量的中子,就算能够制造,也需要极高的成本,因此用中子轰击氮-14原子核来制造氚还不现实。怎么办呢?当然是找一种能够在较低能量的中子轰击下,就可以产生氚的元素。
在过去的日子里,科学家已经找到一种非常符合这种条件的元素,那就是锂。科学家发现,锂-6原子核在被较低能量的中子轰击之后,就可以稳定地生成氦-4和氚。然而即使是用这样的方法来制造氚,其成本也是挺高的,这又应该怎么解决呢?其实有一个巧妙的办法。
需要知道的是,氘氚核聚变的过程可以简单地描述为,一个氘原子核与一个氚原子核发生聚变,然后生成一个氦-4原子核和一个中子,这也就意味着,氘氚核聚变本身就是一个良好的中子发射源。
所以我们只需要将锂-6放置在可控核聚变反应装置的内壁,就可以借助氘氚核聚变释放出的中子来重新生成氚,而这些重新生成的氚,又可以被收集并用于下一轮的核聚变反应,这样就实现了氚的循环使用,进而大幅地降低了可控核聚变的成本问题。
可以看到,这就相当于锂-6代替了氚,成为了被消耗的原料。实际上,科学家已经证明这种方法是可行的,所以我们的问题就变成了,可控核聚变一旦实现,地球上的锂会被用光吗?
事实上,与只有几公斤的氚相比,地球上自然存在的锂可就多了去了,相关统计数据表明,截至2023年,全球已探明的锂资源储量可达9800万吨,另一方面来讲,地球的海洋中还蕴含着大量的锂,根据科学家的估算,其总储量大约有2600亿吨,只不过由于海水中的锂浓度很低,我们目前暂时还不能做到有效的提取。
地球上自然存在的锂有两种稳定的同位素,分别是锂-6和锂-7,其中锂-6的相对丰度约为7.59%,尽管它们所占的比例相对较小,但在如此大的基数面前,其总量还是非常可观的。
所以我们可以乐观地认为,在人类实现了可控核聚变之后的几十万年时间里,都不用担心地球上的锂会被用光。可以想象的是,在几十万年之后,人类应该早已掌握了基于氕的可控核聚变,而氕在地球上乃至于宇宙中,都可以说是随处可见,所以到那个时候,人类就更不用担心原料问题了。
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