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核裂变为什么能释放出巨大的能量，一分钟读懂核聚变和核裂变反应能量来源

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有关核聚变和核裂变反应，相信大家都不陌生，简单地讲就是，核聚变就是指我们把一堆轻原子用力“捏”在一起，让它们变成更重的原子，而核裂变就是指我们用力将重原子“掰开”，让它分裂成较轻的原子。在我们的印象中，通过以上两种核反应方式都可以获得巨大的能量，于是就有人提出了一个有趣的问题：核聚变和核裂变都可以获得能量，能否根据这个原理造出永动机？


不得不说这是一个好想法，理论上来讲，所有的元素都是可以进行核聚变或者核裂变的，那么在可以随意操控核反应的前提下，我们先让一堆轻原子不停地聚变，并从中获取能量，等到这些轻原子聚变成重原子了，我们再让重原子裂变，然后又从中获取能量……如此反复，岂不是就是传说中的永动机了？

然而想法虽然是好的，但是我们却似乎忽略了一个问题，那就是核聚变和核裂变反应所产生的能量，到底是从哪里来的？


我们将组成原子核的质子、中子、反质子、反中子统称为“核子”，很显然，一个原子核拥有的核子数越多，它的质量就越大。需要指出的是，原子核的质量并不与其核子数成正比，研究表明，不同元素的原子核，其核子的平均质量都是不一样的，如下图所示（图中横轴为原子序数，纵轴为核子的平均质量）。


从上图中我们可以看到，在各种元素中，铁元素（Fe）的原子核的平均核子质量是最轻的，这就意味着原子序数低于铁元素的原子核，在聚变成更重的原子核的时候，是会损失质量的，相应的，原子序数高于铁元素的原子核，在裂变成更轻的原子核的时候，也是会损失质量的。

早在100多年前，伟大的物理学家爱因斯坦就已经指出，质量和能量是物质的不同属性，而且在它们之间还存在着明确的当量关系，并给出了著名的质能方程式（E = MC^2 ）。因此就可以得出一个结论，即：核聚变和核裂变反应所产生的能量，其实就来自于核反应中的质量亏损。


有了以上的认识，我们就可以清楚地看到，即使我们可以精准地操控物质的核反应，不停地让比铁轻的元素发生核聚变，又不停地让比铁重的元素发生核裂变，也不可能得到永恒的能量，这是因为物质的质量会不断地减少。

除此之外，在这个过程中，还会不可避免地出现铁元素，而由于铁元素的平均核子质量是最轻的，不管是让它发生核裂变还是核聚变，都需要输入额外的能量，因此我们是不可能通过这类核反应的方式在铁元素上获得能量的。

话又说回来，在宇宙所有的物质中，氢和氦这两种轻元素的质量就占了差不多98%，如果有一天我们人类真的可以随意操控核反应（哪怕是最简单的氢核聚变反应），那么我们也可以得到多得难以想象的能量，从而让我们的文明等级得到迅速地提升。


正因为如此，全世界的人们都对可控核聚变充满了希望，并为此投入大量的人力、物力，致力于攀登这座人类科技的巅峰。值得一提的是，在可控核聚变的领域，我们中国在世界上是处于领先地位的，我国新一代可控核聚变研究装置——“中国环流器二号M”(HL-2M 托卡马克）将在2020年投入相关实验的运行，据悉该装置采用了非常先进的结构和控制方式，将有望产生超过2亿摄氏度的温度（太阳核心的温度约为1500万摄氏度）。


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