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為什麼人類不使用豐富度最高的氕來進行核聚變反應呢?

在自然界中,氫有三種同位素,分別是原子核中沒有中子的氕,原子核中有一個中子的氘(重氫),原子核中有兩個中子的氚(超重氫)。其中氕的丰度最高,達到了99.98%。在宇宙中,恆星的發光原理是氕的核聚變反應,結果產生氦-4。而在人工核聚變中,使用的核聚變原料才是氘和氚。那麼,為什麼人類不使用丰度最高的氕來進行核聚變反應呢?

原因就在於氕的核聚變反應很難進行,而氘和氚較為容易發生核聚變反應。氕原子核就是質子,它們帶正電荷,這意味著它們會互相排斥。氕的核聚變反應是分步進行的,沒有不帶電荷的中子存在,質子很難結合在一起形成沒有束縛態的雙質子(氦-2)。就算質子結合在一起形成雙質子,它還需要經歷β+衰變產生氘、正電子和中微子,這樣才能進行接下來的核聚變反應,但發生β+衰變的概率極低。

只有在像太陽這樣恆星的核心區域,大量的氕原子核在極端溫度和壓力下才能更容易地發生核聚變反應。但即便如此,一個氕原子核真正完成一系列的核聚變反應仍然相當不容易,這個時間需要持續長達10億年。

人類還無法實現維持氕核聚變反應的極端條件,所以這種過程現在只發生在恆星內部。

理論上來說,原子量比鐵小的,都可以發生聚變並釋放能量,但具體採用哪個元素,取決於實際中的可行性,主要有兩條因素:1.聚變的發生條件,主要是溫度和壓力,兩個條件越低,核聚變越容易發生;2.聚變釋放的能量,當然能量越高越好。

相比之下,由於氘和氚原子核中存在電中性的中子,它們更容易結合成有束縛態的氦-5。然後,氦-5又會衰變成氦-4和中子,這樣核聚變反應更容易進行下去。

因此,目前的人工核聚變都是採用氘和氚。但現在人類還無法控制這種核聚變反應,諸如氫彈爆炸都是不可控的。如果未來可控核聚變被攻克了,將能解決能源問題。

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