科普驿站 第七十六期
科目：物理
难度：A2
讲师：倾世~温儿
各位朋友们：
大家好！
在2019年我国内地上映的史诗级科幻电影《流浪地球》中，人类为了躲过太阳氦闪所导致的灾难，决定带着地球“逃离”太阳系，向半人马座α星的比邻星进发。在此过程中，驱动地球脱离太阳轨道的行星发动机起到了至关重要的作用。在影片设定中，这些超巨型的等离子体发动机的原理是“烧石头”，也就是重元素聚变。那么什么是重元素聚变？重元素聚变又能产生多大的能量呢？重元素聚变有什么应用前景呢？本次科普主要围绕这三方面展开。
首先我们要理解什么是重元素。
重元素，是指除去氢和氦之外的所有化学元素，也就是原子序数比较大，核内质子和中子数比较多，相对原子量较大的元素。
一切重元素都是由氢与氦通过恒星内部核聚变反应产生。在恒星爆 发成为超新星之后，重元素会随之扩散到宇宙空间中去。
由于在宇宙形成初期没有任何重元素，所以早期星体重元素含量很低。每种元素的相对含量叫做元素丰度。而科学家们在银河系晕中的球状星团中找到了银河系内年龄最老的恒星，它的重元素丰度只及太阳的0.2%。它比起太阳，可以算是非常年轻的恒星了。而目前发现的最重元素是Og。
在理解重聚变之前，我们首先要引入几个重要的概念，叫做结合能和比结合能。（以下内容来自高中物理选修3-5，已经学过的同学可以再复习一遍。）
原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开，也需要能量，这就叫做原子核的结合能(binding energy)。
自然，原子核中的核子越多，它的结合能就越高。因此，有意义的是它的结合能与核子数之比，称做比结合能(specific binding energy)，也叫平均结合能。比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。
而在现实中，原子核的质量小于组成它的核子的质量之和，这个现象叫做质量亏损。质量亏损表明的确存在着原子核的结合能。如果我们要使一个原子核中的核子分开，就要赋予它们能量，这部分能量的大小等于原子核的结合能，也等于亏损的质量所对应的能量大小。
不同的原子核的比结合能是不一样的。下图是按照实际测量结果所画的曲线。可以看出，中等大小的核的比结合能最 大（平均每个核子的质量亏损最 大），这些核最稳定。
这个现象在20世纪20年代末曾经引起遐想：如果使较重的核分裂成中等大小的核，或者把较小的核合并成中等大小的核，核子的比结合能都会增加，即核子将发生新的质量亏损，释放出巨大的能量，这些能量岂不是可以供人使用？前景的确诱人，但是怎样使原子核发生分裂或者合并呢？这在当时是无法解决的问题。
而现在我们知道，获取核能的方式一般有三种，即核聚变、核裂变和衰变。这里我们重点讲核聚变。
两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫做核聚变（nuclea fusion）。从比结合能的图线中看，聚变后比结合能增加，因此反应中会释放能量。我们常说的核聚变一般是指轻核聚变，即一个氘核和一个氚核结合成一个氦核，同时释放出一个中子，这个反应将会放出17.6MeV的能量，平均每个核子放出的能量在3MeV以上。因为要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10-15米以内，核力才能起作用，所以必须给予带正电的原子核极大的动能，才能克服它们之间巨大的库仑斥力，因此需要把它们加热到极高的温度，故核聚变又被称为热核反应。目前热核反应主要用在核武器上，也就是氢弹。而实际上，热核反应在宇宙中也时时刻刻进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆，它每秒会有七亿吨原子核参与反应，辐射出的能量与400万吨的物质相当。
相较于轻核聚变，我们今天所重点讲解的重核聚变则是指除氢氦以外原子核的聚变。由比结合能图线可知，铁的比结合能最 大，故在铁之前的原子核发生聚变通常会放出能量，而在铁之后的原子核聚变则会吸收能量。在流浪地球电影中，行星发动机所采取的燃料是“石头”，也就是硅元素。硅在铁之前，它的聚变可以放出巨大的能量。在电影中，这种重聚变发动机产生的推力能达到150万亿吨，而人类曾有过的最 强大推力的发动机是苏联的RD-170火箭发动机，它拥有四个燃烧室，一台涡轮泵和两个预燃室，真空推力高达806吨，第二名是美国NASA的土星五号所搭载的F-1火箭发动机，能够产生680吨推力，它的巨大推力足以把三千吨的火箭送入太空，但与电影中驱动地球的发动机相比仍渺小得如同草芥。
如果人类未来能掌握重聚变技术，那么宇航事业便可更加飞速的发展。在可以预见的未来，人类必将掌握氢元素的聚变技术，但相比于比氢元素更重的元素，例如氧、硅等，在储量和能量密度释放方面，氢元素还是略显逊色，尤其是氢元素更不易储存，在宇航方面较重元素聚变还是略显劣势。地球上每升海水中只含有0.03克的氘，而地球上含有1.5×1023千克的硅，故重元素聚变在能源获取方面有极广阔的应用前景。
应咕咕黎的要求（胁迫），我在这里顺带提一下和超新星有关的知识，也就是重元素的来源。
在恒星家族中，像太阳这样低质量的恒星在进入红巨星阶段后并不会产生较重元素，主要原因是其质量太小，不足以提供重元素聚变所需的条件，所以太阳最多发生氦闪（即氦原子核发生3α反应聚变成碳原子核）聚变反应便不再向更重的元素进行。而对于质量不小于九倍太阳质量的恒星，在进入红巨星阶段后，当恒星内核的氢元素消耗殆尽而无法再产生足够的辐射压来平衡引力时，内核的坍缩开始，这期间会使内核的温度和压力急剧升高并能够将氦元素点燃，产生相当的辐射压来中止坍缩。这使得内核膨 胀并稍微冷却，此时的内核具有一个氢聚变的外层和一个更高温高压的氦聚变的中心。上述的过程会反复几次，每一次的内核坍缩都会由下一个更重的元素的聚变过程而中止，并不断地产生更高的温度和压力。星体由此变成了像洋葱一样的层状结构，越靠近外层的元素越容易发生聚变反应。每一层都依靠着其内部下一层的聚变反应所产生的热能和辐射压力来中止坍缩，直到这一层的聚变燃料消耗殆尽;并且每一层都比其外部一层的温度更高、燃烧更快——从硅到镍的燃烧过程只需要一天或几天左右的时间。
这种重元素的不断合成最终会在镍-56处终止，这一聚变反应中不再有能量释放(但能够通过放射性衰变产生铁-56)，恒星最终形成了一个由铁镍组成的核心，到此重聚变反应终止，不再有更重的元素产生。
那么比铁元素更重的元素是如何产生的呢？由比结合能图表可知，合成更重的元素是要吸收能量的。这个过程在自然界中一般发生在超新星爆 发（Ⅱ型）时的核合成（r过程）或者中子星合并的过程中。
当恒星内部的聚变反应停止之后，聚变所产生的辐射压力与万有引力之间失去了平衡，万有引力占据了绝对优势，因而恒星外壳会向内急剧坍缩，这个速度非常快，以至于恒星内核产生了难以想象的高温高压和极高的中子密度。在这个反应中会有大量高度不稳定的原子核产生，这些原子核都含有过剩数量的中子，经过快速的β衰变达到稳定的状态，从而形成了比铁更重的原子核。有半数左右的比铁重的元素都会在这个过程中形成，其中包括钚、铀、锎等元素。与之能相提并论的其他产生重元素的过程只有在衰老的红巨星内发生的s过程，但这一过程进行起来要慢得多，而且不能产生比铅更重的元素。
而在中子星的合并中，剧烈的碰撞产生了大量游离的中子，这些中子相互结合并发生β衰变从而形成了许多种元素的原子核。
而在物理学上，重元素合成的途径包括中子俘获的s过程，r过程，质子俘获的p过程，这里就不展开讲了。
总结一下，这期科普主要讲解了重元素聚变的相关知识以及重元素的来源。宇宙很大，生活更大，需要探索的知识还有很多，我所讲的不过是冰山一角。希望大家都能永远保持好奇心，勇于探索，敢于质疑，在科学的道路上找到属于自己的风景。
参考引源
360百科，高中物理选修3-5，“文山说历史”科普文章，“硬核宇宙知识联盟”科普文章。
图片源自:360百科。
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在地球上实现重核聚变,必须借助惯性.