在重水池中安装核燃料棒
氘本身是不错的核聚变原料。
我们在前面提到氘相对比较容易从海水中获取,并且地球海水中氘的总量达到40万亿吨,这是个极其庞大的数字。同时,科学家们知道在太阳核心P-P核聚变反应链中,氘占有非常重要的地位,如果我们能将地球上的氘用于核聚变发电,那将是一种取之不尽用之不竭的能源。
P-P聚变反应链,氘可与氕融合为氦-3(中间部分)
氚(Tritium)氚在自然界的含量可以用“痕量”来形容,因为只有极高能量(必须具有大于4.0MeV的能量)的快中子与上层大气中的氮原子相互作用才可能产生氚。氚的原子核中有1个质子和2个中子,它的原子量为3,因此又称为氢-3,平时可用³H或英文字母T来表示。读字读半边,氚就念“川”。
由于原子核里中子的数量与质子的数量不相等,氚不稳定且有放射性。每隔4500天就有一半的氚会衰变为氦-3,在这个过程中,中子会衰变为质子,我们称氚的半衰期为12.32年,所以地球表面能找到的的氚是少之又少。
前面提到,重水反应堆里的氘在受到中子轰击后有可能吸收中子变成氚,事实上,世界上绝大多数的氚库存都是从核反应堆里得来的。核发电企业通过每年对反应堆重水进行加工,那些捕获了中子的重水变成超重水,我们可以从1000吨重水中分离出1千克的氚。
从重水中提取氚的效率不高,科学家还通过在反应堆周围敷设金属锂-6或含锂陶瓷(包括Li₂TiO₃和Li₄SiO₄),通过让高能量的中子轰击锂来获得氚。在核聚变实验装置中,科学家们也通过在托卡马克环的四周敷设含锂陶瓷瓦来吸收中子、制取氚。
托卡马克装置的内壁敷设锂陶瓷瓦来获取氚
为什么需要氚?
氚是制造氢弹的最主要原料,同时它也是生物化学工业中一种理想的放射性示踪剂。在未来的可控核聚变发电中,氚是一种清洁的聚变燃料。
氘与氚聚变生成氦-4,同时产生大量能量
氢的人造同位素氢-4(⁴H)
氢-4的原子核含有1个质子和3个中子,它的原子量为4,原子质量为4.026u,因此表示为⁴H。科学家们用快速移动的氘核轰击氚,氚核从快速移动的氘核中捕获了一个中子,从而变为⁴H。氢-4极不稳定,它会通过向外发射1个中子衰变为氚,半衰期仅为1.39×10⁻²²秒。
氢-5(⁵H)
氢-5的原子核里有1个质子和4个中子,它的原子量为5。它是由两个氚核相互轰击形成的,在这个实验中,一个氚核从另一个中捕获两个中子,成为一个带有一个质子和四个中子的核。氢-5的半衰期为9.1×10⁻²²秒,在此过程中,它会通过向外发射2个中子衰变为氚。
氢-6(⁶H)的半衰期是2.9×10⁻²²秒,氢-7(⁷H)的半衰期更短,只有2.3×10⁻²³秒。它们都是利用对撞机获得的短命核素。