核物理/核聚变与核裂变

简介

核聚变和核裂变是原子核获得（聚变）或失去（裂变）质子的过程，从而转变为不同类型的原子。这两个过程都会释放能量。核聚变和核裂变在自然界中发生，例如在恒星内部，以及人工制造，例如在核反应堆中。

如果原子核的核结合能增加，则能量会从原子核释放出来。

能量从哪里来？

每个人都听说过$E=mc^{2}$这个公式，但令人惊讶的是，很少有人知道它真正的含义。除了在电动力学和其他领域具有重大意义外，它还表明能量和质量就像野兽一样，你可以将它们相互转换。结合能，也称为质量亏损，就是能量的来源。质量从原子核中损失，能量被释放出来。

聚变

聚变是将较小的原子（较少的质子和中子，因此原子序数也较小）的原子核结合起来以产生较大原子的过程。在许多恒星中，这个过程从氢（H）原子结合形成氦原子（He），然后再次结合形成铍（Be）原子等等。这个过程在所有原子转化为铁（Fe）并且恒星因此死亡时停止。造成这种情况的原因是，一旦原子达到铁和更高的元素，融合原子所需的能量就会大于原子释放的能量。

更准确地说，聚变仅在铁之前是有利的，因为只有到铁之前，每个核子（质子和中子）的能量才会继续下降。在聚变过程中，最有效的能量/核子反应是氢-氢反应，或者是在氢的不同同位素之间发生的反应。对于比铁重的原子核，裂变（见其他部分）在释放能量方面变得更有可能，也就是说，要减少储存的能量/核子。

聚变在自然界中发生在物质在引力压力下坍缩到足以使原子剥夺其电子并且原子核具有足够低的平均自由程（即它们的密度相当高）的环境中。形成这种天体的物质集合通常被称为恒星。

聚变能

由于氢聚变的产率实际上高于铀裂变，副产物基本上是良性的（高能中子除外），而且材料可以从丰富的资源（水）中通过电解轻松获得，因此自然而然地考虑尝试建造聚变发电站。由于原子核带电，可以使用强大的磁场来控制它们，这是试图控制氢等离子体以产生持续和受控核反应的标准思路。尽管取得了稳步进展，但仍然需要克服相当大的工程障碍。

维基百科对聚变能的条目

裂变

这是将大型、重原子核分解为较小、较轻、更稳定的原子核的过程，这些原子核具有更低的能量状态并同时释放能量，这就是制造核武器所采用的过程。一个原子核可以以许多不同的方式分裂，事实上，发生均匀分裂的情况非常罕见，在大多数情况下，一个“半部”比另一个“半部”更大。机制可能类似于这样：一个不稳定的（大型富中子同位素）被强核力束缚在一起，因为它不稳定，它会发生扭曲，使正质子之间的库仑斥力克服强核吸引力并将它们分开，从而形成两个高能的“半部”。这些“半部”可以通过发射中子来增加其稳定性，这些中子被称为瞬发中子。其他中子可能在稍后发射出来，不出所料，这些被称为延迟中子。裂变有两种类型，第一种是自发的（这种裂变发生在没有先吸收中子的情况下）而更常见的是中子诱发的裂变，顾名思义，它就是这样发生的。

对于发电，只有发生链式反应的核裂变才有意义。它在反应堆中是受控进行的，在核弹中是失控进行的。为了运行链式反应，需要没有中子俘获以及含有可裂变核的材料。唯一可以用于反应堆运行的天然原子核是铀235。其他原子核，如钚239，必须人工制造，然而，也在反应堆中，这需要铀235或钚239之类的燃料。有趣的是，几十亿年前，建造反应堆要容易得多，因为天然铀中铀235的浓度要高得多！您可以阅读关于天然铀同位素组成变化的确切内容。

驱动一颗恒星

质子-质子链

这是质量类似于我们太阳的恒星中的主要聚变过程。这种恒星的核心的温度约为1500万开尔文。对于质量更大的恒星，核心温度更高，碳-氮-氧循环聚变过程成为主要的机制。基本上，I 支链反应如下，最终产生 26.72 MeV 的能量。这些反应产生了约 85% 的太阳能。

p + p = d + e⁺ + ν_e
p + d = ³He + γ
³He + ³He = ⁴He +2p

主序氢燃烧的 II 支链和 III 支链产生少得多的能量。

II 支链

³He + ⁴He = ⁷Be + γ
e^- + ⁷Be = ⁷Li + ν_e
p + ⁷Li = ⁴He + ⁴He

III 支链

p + ⁷Be = ⁸B + γ
⁸B = ⁸Be^* + e⁺ + ν_e
⁸Be^* = ⁴He + ⁴He

碳-氮-氧循环

这种反应发生在质量比我们太阳大 1.3 倍的恒星中，它几乎与质子-质子链完全相同，只是它使用碳作为催化剂。反应中的碳不会被消耗掉，并在反应结束时被回收。CNO 过程产生 26.72 MeV 的能量，这是主支链。

p + ¹²C = ¹³N + γ + 1.95 MeV

¹³N = ¹³C + e⁺ + v_e + 2.22 MeV

¹³C + p = ¹⁴N + γ + 7.54 MeV

¹⁴N + p = ¹⁵O + γ + 7.35 MeV

¹⁵O = ¹⁵N + e⁺ + v_e + 2.75 MeV

¹⁵N + p = ¹²C + ⁴He + 4.96 MeV

|| 支链

上述分支中最后一个反应可能不会发生，而是可能发生以下反应。

¹⁵N + p = ¹⁶O + γ + 12.13 MeV

¹⁶O + p = ¹⁷F + γ + 0.60 MeV

¹⁷F = ¹⁷O + e⁺ + v_e + 2.76 MeV

¹⁷O + p = ¹⁴N + ⁴He + 1.19 MeV

¹⁴N + p = ¹⁵O + γ + 7.35 MeV

¹⁵O = ¹⁵N + e⁺ + v_e + 2.75 MeV

然而，最后一个反应产生的氮最终会参与第一个分支的最后一个反应。

分支 |||

最后一个分支只发生在特别巨大的恒星中，在那里第二分支的第三个反应中¹⁷O + p 会产生¹⁸F + γ。这也可以称为 OF 循环，因为反应中使用的氧和氟被循环利用。

¹⁷O + p = ¹⁸F + γ + 5.61 MeV

¹⁸F = ¹⁸O + e⁺ + v_e + 1.65 MeV

¹⁸O + p = ¹⁹F + γ + 7.99 MeV

¹⁹F + p = ¹⁶O + ⁴He + 8.11 MeV

¹⁶O + p = ¹⁷F + γ + 0.60 MeV

¹⁷F = ¹⁷O + e⁺ + v_e

需要注意的是，所有循环都可以简化为一个反应，因为所有分支都将使用相同的反应物并产生相同的产物。

4p = ⁴He + 2e⁺ + 2v_e + 3γ + 26.72 MeV

反应中释放的正电子将与电子湮灭，并以伽马射线的形式产生更多能量。