核聚变拥有惊人的能量潜力,它的成功控制将标志着人类文明的一次巨大飞跃。因此,科学家们一直致力于实现可控核聚变的研究。
简而言之,核聚变是较轻原子核合并成较重原子核的过程。在所有宇宙元素中,氢的结构最为简单,且储量最为丰富,因此成为研究核聚变的首选原材料。
氢有三种同位素:氕(H)、氘(D)和氚(T)。氕的原子核中仅有一个质子;氘的原子核包含一个质子与一个中子;而氚的原子核则由一个质子和两个中子组成。
目前,研究主要集中在氘和氚的核聚变上,而氕由于其聚变条件极为苛刻,目前尚未被研究。因此,可预见如果未来可控核聚变成为现实,将会大量使用氘和氚。
地球海洋含有丰富的氘,科学家估计总储量约为40万亿吨,因此氘的来源并不令人担忧。但氚是一种不稳定同位素,半衰期仅约12.43年,地球上的氚主要由宇宙射线产生,效率很低且容易衰变,使得氚在地球上极为稀缺,估计总储量仅有几公斤。
然而,关于可控核聚变消耗尽地球氚的担忧是不必要的,因为我们可以人工制造氚。
宇宙射线中的快中子可以在碰撞地球大气层原子时产生氚,例如轰击氮-14原子核时生成碳-12和氚。这为人工制造氚提供了灵感。尽管我们难以制造出与宇宙射线相当的高能量中子,锂-6原子核被低能量中子轰击后却可以稳定地生成氦-4和氚,提供了一种人工制造氚的可行方法。
关键是,氚核聚变过程本身可以产生中子,这意味着我们可以通过将锂-6置于核聚变反应器内壁附近,使用这些中子再生氚,从而降低成本并循环使用氚。
因此,锂-6代替氚成为消耗性原料。全球已探明锂资源量达9800万吨,而海洋中的锂储量更是高达2600亿吨。尽管两种稳定的锂同位素——锂-6和锂-7——只占总量的一小部分,考虑到这样庞大的储量,人类在实现可控核聚变之后的几十万年间不需担心锂资源耗尽。展望未来,人类有望掌握基于氕的核聚变技术,氕在宇宙中极为丰富,进一步消除了对原料的担忧。