地球海水有多少核聚变材料?

坤庭2



人类最早掌握的核能是核裂变,并以此造出了原子弹,而核聚变需要的温度和压力是非常高的,因此氢弹是用一个小型原子弹爆炸产生的高温高压来触发核聚变反应的,这也是为什么氢弹威力远超原子弹的原因。

不论核裂变还是核聚变本质上都是质能转化,核裂变的质能转化率为0.08%,核聚变为0.7%,所以世界各国都在研究可控核聚变看中的就是核聚变的转化率以及无污染无辐射,可以说一旦可控核聚变成为现实,能源危机就永远消失了。


正如核裂变需要铀235或者钚239一样,核聚变同样也需要材料才能产生核聚变反应,这材料就是地球海洋中氢三中同位素氕氘氚(念成撇刀川就行),不过这些元素的聚变难度是不一样的,氚氘聚变最简单,氕最难。

然而如果我们不考虑聚变难度的话,地球海水中全部的氢元素都能用来核聚变,产生的能量足够人类使用数十亿上百亿年,从根本上解决能源和污染问题。

然而理想很丰满现实很骨感,可控核聚变技术从上个世纪被研究到现在也没有投入实际商用,甚至于在可控核聚变领域都出现了了“50年定律”,意思就是说距离可控核聚变实现永远都只有50年。


宇宙探索未解之迷


这个问题问得好,下面就来具体介绍。

什么是核聚变?

在核化学中,核聚变是两个或两个以上的原子核结合形成一个或多个不同的原子核和亚原子粒子(中子或质子)的反应过程。反应物与生成物之间产生的质量差异表现为能量的释放或吸收。这种质量上的差异是由于反应前后原子核间原子“结合能”的差异造成的。核聚变是为活跃的或“主序”恒星或其他高星等提供能量的过程。

产生比铁-56或镍-62轻的核的熔合过程通常会产生净能量释放。这些元素分别具有每个核子的最小质量和每个核子的最大结合能。向这些方向的轻元素聚变释放能量(放热过程),而产生比这些元素更重的原子核的聚变过程将导致核子保留能量,而产生的反应是吸热的。反向过程即核裂变的情况恰恰相反。这意味着较轻的元素,如氢和氦,通常更容易聚变;而较重的元素,如铀、钍和钚,则更容易裂变。超新星的极端天体物理事件可以产生足够的能量来将原子核融合成比铁更重的元素。

图 太阳是一颗主序星,因此它的能量来自于氢核与氦的核聚变。在它的核心,太阳每秒聚变6.2亿吨氢。

1920年,阿瑟·爱丁顿提出氢氦聚变可能是恒星能量的主要来源。1929年弗里德里希·洪德(Friedrich Hund)发现了量子隧穿现象,不久之后,罗伯特·阿特金森(Robert Atkinson)和弗里茨·霍特曼斯(Fritz Houtermans)利用测量到的轻元素质量,证明了融合小原子核可以释放出大量能量。在欧内斯特•卢瑟福(Ernest Rutherford)早期核转化实验的基础上,马克•奥列芬特(Mark Oliphant)于1932年完成了氢同位素的实验室融合。在那十年的时间里,汉斯·贝特提出了恒星核聚变主周期的理论。为军事目的而进行的核聚变研究始于20世纪40年代初,是曼哈顿计划的一部分。核聚变是1951年通过温室项目核试验完成的。1952年11月1日,艾薇麦克氢弹试验首次在爆炸中进行了大规模核聚变反应。

图 核结合能曲线。核的质量达到铁56释放能量,如上所示。

发展民用受控热核融合的研究始于20世纪40年代,并一直持续到今天。

核聚变材料的含量

常规意义上的核聚变材料指的是氘核与氚核,而氘核与氚核也是核聚变的最佳燃料。

  • 氘的含量

在地球的自然海洋中,氘的自然丰度约为氢的6420分之1。因此,氘约占海洋中所有自然存在的氢的0.02%(或按质量计算,0.03%)。

  • 氚的含量

天然存在的氚在地球上极为罕见,在大气中只含有微量,由气体与宇宙射线的相互作用形成

。而氚含量稀有的原因是,氚的半衰期很短,只有大约12年,意味着每过12年就要衰减一半,所以现今使用的氚大多利用人工合成。

图 氚

结论

上述简单介绍了核聚变的定义和地球海水以及自然界中核聚变材料的含量,希望我的回答能有帮助,欢迎关注。


工学脑洞


答:在地球海水中,拥有数百万亿吨的氘核,如果这些氘核通过核聚变给人类提供能源,那么足够人类使用数十亿年之久。


氢有三种同位素“氕氘氚”,每种同位素都能发生核聚变反应,但是所需条件相差极大:

氕核的核聚变条件是最高的,氘核与氚核发生聚变的条件最低,所以可控核聚变的材料也是氘核与氚核,氢弹也是利用这个反应,反应方程式为:

3H+2H→4He+n,ΔE=14.6MeV;

在大自然中,氢主要以氕核的形式存在,氘核的含量为0.02%,氚核更是低到10^-15%,而且氚核的半衰期不长,只有12.5年。


于是可控核聚变技术的关键之一,就是提取氘核与氚核,氘核可以直接从海水中提取,地球海水总量大约为1.4*10^18吨,于是海水中的氘核含量大约为2.7*10^14吨(270万亿吨)。考虑氘核萃取不可能达到100%,海水中也存在数十万亿吨的氘核可供人类使用。

氚核在海水中的含量太低,只能通过其他方式获得,目前最主要的方法,是利用反应堆中释放的中子,和锂碰撞产生,反应方程式为:

Li+n→4He+3H;

锂属于稀有金属,地壳中可供人类开采的大约为400万吨,这也足够人类使用数万年之久,到时候也许人类已经找到了其他制取氚核的方式,或者已经发展出氦-3的核聚变技术。

所以,要说海水中有多少核聚变材料的话,氘核几乎是取之不尽用之不竭的,而氚核需要通过其他方式来获取;即便如此,在地球的化石燃料快用完之际,核聚变技术也是最理想的能量获取方式。


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地球海水有多少核聚变材料?

如果忽略聚变的条件的话,海洋里所有水中的氢元素都可以聚变,这样一算,这个质量就是天文数字了,水中氢氧质量比例是1:8,比如9吨海水中,有一吨是氢元素,另外8吨是氧元素,当然忽略了水中的各种盐类以及杂质等!

但以人类重点微末道行,连最容易的氚氘聚变都无法达到!因此当前人类正在全力突破的就是氚氘聚变,那么氚氘到底是什么元素呢?跟氢元素又有什么关系呢?

一、氢元素的分类

其实物质与物质之间的区别就是质子数不一样,而不同的中子数则表示这种元素的同位素,而我们所说的氢元素有三种同位素,分别是氕氘氚,是不是很好玩的三个字?分别念([piē]、[dāo]、[chuān])!

氕只有一个质子和一个核外电子;

氘有一个质子和一个种子以及一个核外电子;

氚有一个质子和两个中子和一个核外电子;

氚氘聚变条件是最低的,而氕聚变的条件在氢同位素中最高的!

但自然界中最多的是氕,几乎所有的氢元素都已氕的形式存在,氘为0.02%,氚核则低到令人发指的10^-15%,当然地球上的海水总共约有:1.386×10^18吨,所以这个比例下,还是很可观的,但从海水中提取氚实在是劳心劳累,现代氚的生产一般都是在裂变堆中用中子轰击锂元素产生!这会影响裂变堆效率吗?其实不将这些中子利用起来也要用减速剂来吸收掉,比如重水或者早期的石墨等,现在用来生产氚不是废物利用么?

二、聚变的能量有多大?

也许除了正反物质的湮灭之外我们已经找不出比这能量更大的物理过程了!

3H+2H→4He+n,ΔE=14.6MeV;

1质子2中子的氚原子核和1质子1中子的氘原子核结合成2质子2中子的氦原子核,放出一个多余的中子,并释放出约14.6MeV的能量,这个过程可以用爱因斯坦的质能方程表示:

当然正反物质的湮灭也可以用这个公式来计算,但两者不一样的是湮灭是100%的质量转换为能量,而聚变大约只有0.7%,两者相差大约142.86倍!

三、终极的聚变是哪一种?

中子在裂变堆中可是个好东西,因为裂变材料的原子核必须获得一个中子后才能裂变,而且裂变堆可以将堆芯用种子吸收材料包围起来,因此裂变堆的中子处理还是比较容易的,唯一的缺点就是裂变堆安全外壳破损后辐射外泄的可能!

而聚变堆聚变腔则是高度真空,氚氘聚变过程中将产生多余的中子,而空空如也的真空室只能有内壁来承受中子的轰击!理论上来看似乎没问题,但不要忘记了吸收了中子的内壁将会“变性”,而这种改变成为“中子嬗变”,简单一点的说过阵子内壁就不是我们装进去的那个材料了,而且还具有放射性,这不是很要命?在现阶段技术有限的情况下,我们还是先实现氚氘聚变,但最终是氦三,这个没有中子的聚变是我们所追求的!

四、氦三来自哪里?

氦三来自太阳的核聚变以及太阳风将粒子输送到太阳系的各个角落,那么您肯定会认为地球上也有很多氦三了?很抱歉地球有一个大气层和磁场!

地球磁场在保护生物与大气层的同时也将氦三挡在外面了,所以没有大气层和磁场的水星和月球就成了首选之地,当然毫无疑问是月球,尽管水星的氦三丰度可能更高,但距离地球实在有些遥远,而且从水星飞往地球,逃逸速度达到了48KM/S,人类这点技术,根本不可能从水星轨道回来,所以还是月球上挖挖氦三就差不多了!但事实上我们距离氦三聚变还很遥远,所以探月工程中的氦三开采,不过是大饼而已,但就现在的技术,连这个饼都还没画圆!


星辰大海路上的种花家


你这话问的不严谨!理论上地球上所有一切铁以下的元素都可以聚变,只不过原子核质量越大的元素需求的聚变条件越苛刻,就目前人类科技也就只能实现了氢同位素(氘氚)氦-3等轻原子核基础元素的聚变方法(非可控)。而海水里氘含量还是很多的,据估算大约有40亿万吨。。。。


毒聚一方


我不知道地球海水的体积,据说如果把地球上的高地填到低处,整个地球将会被2900米深的海水所覆盖,其水量之巨可以想像。

又据说,水中核聚变物质所失放的能量可以把海水折合成相当于海水体积三百倍的汽油库,想想整个海洋要产生多少能量。当然,如果聚变技术不理想,其间消耗的与净输出之比是多大,现在还无法估计,据说输入与输出之比已达到1:60,也就是说海洋只相当于六十倍于自身的汽油。将来技术一定在不断提高,这个比例也应该会随着技术的不断提高而上升。


理想无限延伸


有很多很多,可以认为是无穷无尽了,人类如果还是只能在地球上折腾的话,就不用操心能源问题了。


水道山行


简单的回答吧:数不清!


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