为什么核聚变能源对人类如此重要呢?

我们应当将一切都归功于聚变。我们的太阳以及在夜空中闪耀的任意恒星都是由聚变驱动的。如果没有聚变,宇宙将会变得漆黑、冰冷、寂静。聚变将宇宙变得充满光和热,并使生命在地球上、或许A G = U还有其他什么地方起源。地球本身,包括我们呼吸的空气和组成我们自身的素材都是聚变的产物。

为什么核聚变能源对人类如此重要呢?

随着宇宙大爆炸的发生,一旦物质冷却足够使中性原子得以形成,宇宙就被氢——最简单的原子——的均匀分布所充满。尽管还有一点氦原子和一些神秘的暗物质,但是宇宙似乎仅仅是氢原子和虚空而已。聚变是如何将这块空白的[ B # G画布描绘成由如今这样可见的天体和我们寻找到的身边的九十二种自然(化学)元素所汇集成的样子呢?首先[ D P *它得到了引力的一些帮助。尽管引力只是一种非常微弱的力,经过数千年的作用,它将氢原子拉扯到一起。氢原子的聚团得以形成并且随着它们变得越来越大,t O 它们发挥了更大的引力吸引作用,吸引更多的氢。

随着这些氢8 ( f ( 8 ] s元素的球变大,由S v +于在其之上的所有氢的重量变重了,作用在球体中心气体上的压强也随之变大,以及随着压强变大,# Q ] y ; 7 ! 0带来V q V | ; c ~ l j了更高的温度。(想象向自行车轮胎打气,你打得越是多,它就变得越热。)更高O C J w的温度意味着原子以更高的速度运动着,在一个原恒星的高压核心内部,它们日益激烈地彼此碰撞着。在一个特定温度下,这些碰P 0 C撞是如此的剧烈以至于这些原- # $ & J V子中带负电的核外电子被击出脱离原子核,以氢元素的情况,原i u I C子核! # A e * i L T仅由一个亚原子粒子即一个带正电的质子组成。这结果是一e R ) c w E个等离子体——一个带电粒子的热漩涡。

一旦这新生T . D A $ . } ; n的恒星成长到一定的规模——大约是地球质量的28000倍时,在它内部核心@ i S F的温度达到1000万摄氏度时,聚变开始了。聚变仅仅是两个原子核聚合生成一个较重的核,不过这并不是一件容易完成的事,因为所有的原子核,正电荷与正电荷相互排斥,就像质子徘徊在# 9 q一个带正电的原恒星的核外。然而当温度达到百万摄氏度的等级时,原子核会受巨大的力使它们克服电排斥力猛地撞击在一起并被另一个短程力钩住,这个力使质子和不带电的中子聚拢在一个原子核内。在这个吸引力抓住这两个碰撞而出的质子并使它们形成一个新的原子核前,它们必须保持一个原子内的距离。但是两个质子本身不能形成一个稳定的结构,所以大A T R多数的质子对几乎立刻再次分离。

为什么核聚变能源对人类如此重要呢?

非常、非常偶然的情况下,在一次短暂的聚` ? b C ? C变之后,其中的一个质子衰变成了一个中子。正如我们所知的氘核,原子核由一个中子和一个中子组成,是非常稳定的,于是这个新生的@ V I 0原子核就存活了下来。假以时日,这个过程在原i z 5 b 4 0 3恒星的中心制造了越来越多的氘核,一旦有了足够的氘核,其它的反应也就开始进行了。比如说,一个氘核可以和其它的质子聚合形成X s + I h + v D一个氦3[ e M K(两个质子和一个中子),并且一旦有了足够的氦3,两个氦3可以聚合形成一个氦4(两个质子和两个中子)并射e 5 f ) r { * q 7出两个中子。这些反r % O 4 } V a X应构成了最终制造出元素锂和元素铍的聚合反应链的起始。

这些聚变反应制造了热量作为反应r n F K 7 E 2产物,举例来说,因为一个氦3的原子核比起创造它的E & ,一个氘核和一个质子稍稍轻一些。这部分质量并没有消失;它在聚变中被转化成了能量。所以一旦这条反应链开始进行,数不清的原子核开始聚变,原恒星的中心变得就像一台狂暴的熔炉,进一步升高温度并引发更多的反应。这个简单的过程将气体球变成了一个成熟的恒星,这个过程或是一个十分近似的反应链驱动了所有的恒星,从被认为自宇宙大爆炸后已经燃烧了1亿5千万年并贯穿了137亿年宇宙历史的最早的那一颗开始。

为什么核聚变能源对人类如此重要呢?

聚变还有更{ : = m 0 ]多的作用。当一颗恒星走向生命的尽头,当它燃烧尽了它所有的氢,它开始消耗氦形成一个能够制造铍、炭和氧的反应链。当所有的氦被燃烧殆尽,其它的反应链开始消耗那些核制造更重的核。这样,在一颗恒星最后的时间里,直到铁的所有元素都被聚变制造出来了。最后,当没有可以聚变的燃料残留时,这} V ? $ H p Y e颗恒星0 Q .的残留物在他们自身的重力作用下崩塌了。如果这是一颗大的恒星,这个崩塌会释放出巨大的引力能使得恒星的外层向外爆炸形成一场灾m X | D . ;难性的爆炸——超新星爆发。超新i 7 A星爆发的巨大能量引起了残留在恒星灰烬中的重核的进~ e @ # X ` l n V一步聚变反应。这些聚变制造出了从铁到铀以及更重的所有的重核。

为什么核聚变能源对人类如此重要呢?

所以,究恒星一生,核聚变加工原初的材料氢,C j i * g n d 6将它们熔炼成了元素周期u p J T b U ; L [表里的所有其他元素。并且当恒星在其尽头爆炸时,爆2 % @炸将那些元素传播到太空中,在那儿它们和新的氢混合然后缓慢合并成新的恒星和行星。所以这些第二代的恒星和伴生在其周围的行星包含了多元素的混合,得以让其中一部分的行星形成岩石表层、+ S 5 K G ; T海洋、大气层H k }和生命。每一个在你体内的原子,除了氢以外,都是在死亡已久的恒星中由聚变创造出来的。

科学家们在19世纪下半叶和20世纪早期寻找是什么使太阳和所有的恒星发光。究竟太阳如何能够持续数十亿年释放出如此惊人的能量而没有燃料短缺,这对他们来说是个秘密。直到20世纪30年代晚期,他们终于弄懂了聚变反应如上所述的大致细节,并有了他们自己的答案。这个答案在一些人的心里种下了一棵种子。由于第二次世界大战,这颗种子在很长一段时间内未能成长,不过一旦战争结束,种子立刻开始发芽。这颗种子是什么?它是一个想法,既然核聚变能够为太阳提供能源长达数十亿年,它能否类似地在地球上提供不竭的能源,这! p N w K能够被实现吗?T H } q O / u古希腊神话人物普罗米修斯从天神处偷盗火种传给人类,导致了进步、技术和文明的产生。科学能否为了所有人类偷取太阳的火种并将其在地球上点燃?

普罗米修斯最终落得一个悲惨的下场,他因罪行永世被铁链绑在山岩上。战后的科学家并不需要担心报复心重的宙斯,事实上,控制聚变的想法显得相对容易。恒星使得这% } A ; } y P G看起来容易:聚拢足够多的i j ; 9 & W d (氢,施加重力,然? ( 2 L后聚变……就发生了。在地球上,它们没有恒星上的一些便利条件,包括等价于成千上万个地球的重量压在核心上使其加热并压缩氢达到核聚变发生的温度。科学家们必须寻找其他的方法来加热并压缩氢,这将会有多么艰难?

尽管战争岁月是毁灭性9 Z p的,但是它们仍然创造出了一些技术奇迹。起初,一些人仍执意在马背上战斗,但是战争很快变得到处都是高速移动的装甲坦克、远距离空袭、巨大的航空母舰和潜水艇。到战争结束前,已经D ^ | C ; f ` C出现了能在数百英里外击中目标的火箭、装载喷气引擎的飞机以及最终能^ 0 $ i x够摧毁一整座城市的炸弹。一些战后的科学家怀有一种乐观的心态。既然他们能够在六年的战争里取得如此多m j N的成就,想象一下他们在和平岁月里能达到何种高度。

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