核物理/核聚變與核裂變

簡介

核聚變和核裂變是原子核獲得（聚變）或失去（裂變）質子的過程，從而轉變為不同型別的原子。這兩個過程都會釋放能量。核聚變和核裂變在自然界中發生，例如在恆星內部，以及人工製造，例如在核反應堆中。

如果原子核的核結合能增加，則能量會從原子核釋放出來。

能量從哪裡來？

每個人都聽說過$E=mc^{2}$這個公式，但令人驚訝的是，很少有人知道它真正的含義。除了在電動力學和其他領域具有重大意義外，它還表明能量和質量就像野獸一樣，你可以將它們相互轉換。結合能，也稱為質量虧損，就是能量的來源。質量從原子核中損失，能量被釋放出來。

聚變

聚變是將較小的原子（較少的質子和中子，因此原子序數也較小）的原子核結合起來以產生較大原子的過程。在許多恆星中，這個過程從氫（H）原子結合形成氦原子（He），然後再次結合形成鈹（Be）原子等等。這個過程在所有原子轉化為鐵（Fe）並且恆星因此死亡時停止。造成這種情況的原因是，一旦原子達到鐵和更高的元素，融合原子所需的能量就會大於原子釋放的能量。

更準確地說，聚變僅在鐵之前是有利的，因為只有到鐵之前，每個核子（質子和中子）的能量才會繼續下降。在聚變過程中，最有效的能量/核子反應是氫-氫反應，或者是在氫的不同同位素之間發生的反應。對於比鐵重的原子核，裂變（見其他部分）在釋放能量方面變得更有可能，也就是說，要減少儲存的能量/核子。

聚變在自然界中發生在物質在引力壓力下坍縮到足以使原子剝奪其電子並且原子核具有足夠低的平均自由程（即它們的密度相當高）的環境中。形成這種天體的物質集合通常被稱為恆星。

聚變能

由於氫聚變的產率實際上高於鈾裂變，副產物基本上是良性的（高能中子除外），而且材料可以從豐富的資源（水）中透過電解輕鬆獲得，因此自然而然地考慮嘗試建造聚變發電站。由於原子核帶電，可以使用強大的磁場來控制它們，這是試圖控制氫等離子體以產生持續和受控核反應的標準思路。儘管取得了穩步進展，但仍然需要克服相當大的工程障礙。

維基百科對聚變能的條目

裂變

這是將大型、重原子核分解為較小、較輕、更穩定的原子核的過程，這些原子核具有更低的能量狀態並同時釋放能量，這就是製造核武器所採用的過程。一個原子核可以以許多不同的方式分裂，事實上，發生均勻分裂的情況非常罕見，在大多數情況下，一個“半部”比另一個“半部”更大。機制可能類似於這樣：一個不穩定的（大型富中子同位素）被強核力束縛在一起，因為它不穩定，它會發生扭曲，使正質子之間的庫侖斥力克服強核吸引力並將它們分開，從而形成兩個高能的“半部”。這些“半部”可以透過發射中子來增加其穩定性，這些中子被稱為瞬發中子。其他中子可能在稍後發射出來，不出所料，這些被稱為延遲中子。裂變有兩種型別，第一種是自發的（這種裂變發生在沒有先吸收中子的情況下）而更常見的是中子誘發的裂變，顧名思義，它就是這樣發生的。

對於發電，只有發生鏈式反應的核裂變才有意義。它在反應堆中是受控進行的，在核彈中是失控進行的。為了執行鏈式反應，需要沒有中子俘獲以及含有可裂變核的材料。唯一可以用於反應堆執行的天然原子核是鈾235。其他原子核，如鈽239，必須人工製造，然而，也在反應堆中，這需要鈾235或鈽239之類的燃料。有趣的是，幾十億年前，建造反應堆要容易得多，因為天然鈾中鈾235的濃度要高得多！您可以閱讀關於天然鈾同位素組成變化的確切內容。

驅動一顆恆星

質子-質子鏈

這是質量類似於我們太陽的恆星中的主要聚變過程。這種恆星的核心的溫度約為1500萬開爾文。對於質量更大的恆星，核心溫度更高，碳-氮-氧迴圈聚變過程成為主要的機制。基本上，I 支鏈反應如下，最終產生 26.72 MeV 的能量。這些反應產生了約 85% 的太陽能。

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

主序氫燃燒的 II 支鏈和 III 支鏈產生少得多的能量。

II 支鏈

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

III 支鏈

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

碳-氮-氧迴圈

這種反應發生在質量比我們太陽大 1.3 倍的恆星中，它幾乎與質子-質子鏈完全相同，只是它使用碳作為催化劑。反應中的碳不會被消耗掉，並在反應結束時被回收。CNO 過程產生 26.72 MeV 的能量，這是主支鏈。

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

|| 支鏈

上述分支中最後一個反應可能不會發生，而是可能發生以下反應。

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，最後一個反應產生的氮最終會參與第一個分支的最後一個反應。

分支 |||

最後一個分支只發生在特別巨大的恆星中，在那裡第二分支的第三個反應中¹⁷O + p 會產生¹⁸F + γ。這也可以稱為 OF 迴圈，因為反應中使用的氧和氟被迴圈利用。

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，所有迴圈都可以簡化為一個反應，因為所有分支都將使用相同的反應物併產生相同的產物。

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

反應中釋放的正電子將與電子湮滅，並以伽馬射線的形式產生更多能量。