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·聚變知識
熱核聚變
發布時間:2018-08-20 21:37


聚變反應示意圖


聚變電站示意圖

  聚變是將輕核(主要是氫的同位素氘和氚)加熱到數億度高溫,使其聚合成較重的原子核,同時釋放出巨大能量的過程,太陽的發光發熱和氫彈爆炸就是這樣的原理。聚變能的特點是:第一,聚變反應釋放出大量的能量,一升海水中的氘通過聚變反應可釋放出相當于300升汽油燃燒的能量;第二,聚變資源儲量十分豐富,地球上海水中所含的氘,如果用于氘氘聚變反應可供人類用上億年,而用于產生氚的鋰在地球上也有比較豐富的儲量,可供人類用于聚變反應幾萬年;第三,聚變的反應產物是比較穩定且無放射性的氦。考慮聚變能固有的安全性、環境的優越性、燃料資源的豐富性,聚變能被認為是人類最理想的潔凈能源。

  早在上世紀五十年代初人類就實現了聚變核反應,這就是氫彈的爆炸。它是依靠原子彈爆炸時形成的高溫高壓,使得熱核燃料氘氚發生聚變反應,釋放巨大的能量,形成強大無比的破壞力。但是氫彈瞬間的猛烈爆炸是無法控制的。要把聚變時釋放出的巨大能量用于社會生產和人類生活,必須對劇烈的聚變核反應加以控制。因而實現受控熱核聚變一直是聚變科學家的夢想。
實現受控熱核聚變反映需要滿足兩個苛刻的條件:

  第一,極高的溫度
  要使兩個原子核發生聚變反應,必須使它們彼此靠得足夠近,達到原子核內核子與核子之間核力的作用距離,此時核力才能將它們“粘合”成整體形成新的原子核。由于原子核都帶正電,當兩個原子核靠得越來越近時,它們之間的靜電斥力也越來越大。靜電斥力也稱靜電勢壘,它像一座高山一樣將兩個氘核隔開。據實驗資料估計,要使兩個氘核相遇,它們的相對速度必須大于每秒1000公里。此時單個氘核具有巨大的動能,對于一團氘核整體而言,則具有極高的溫度。兩個氘核產生聚變反應時,溫度必須高達幾億度。氘核與氚核間發生聚變反應時,溫度也須達到一億度以上。這種在極高溫度下才發生的聚變核反應也稱熱核反應。在如此高溫下,物質已全部電離,形成高溫等離子體。開發利用核聚變能源首先必須產生一團高達上億度的高溫等離子體。

  第二,充分的約束
  充分的約束,指將高溫等離子體維持相對足夠長的時間,以便充分地發生聚變反應,釋放出足夠多的能量,使聚變反應釋放的能量大于產生和加熱等離子體本身所需的能量及其在此過程中損失的能量。這樣,利用聚變反應釋放出的能量就可以維持所需的極高溫度,無需再從外界吸收能量,聚變反應就能夠自持進行。表征這個概念的科學術語叫作“聚變點火”。要實現聚變點火,必須達到一定的約束時間。約束時間跟密度相關,密度大,單位時間里參加反應的原子核較多,釋放的能量也較多,因而必要的約束時間相應較短。反之,約束時間必須較長。英國科學家勞遜在五十年代詳細研究了實現聚變點火必須滿足的條件(點火條件也稱勞遜條件或勞遜判據),它是溫度T和約束時間τ跟密度n乘積的函數。

  實現“點火”僅是受控核聚變研究的第一步。受控核聚變研究的第二個目標是使輸出的能量超過輸入的能量,獲得凈聚變能。科學家們將第一個目標即實現“點火”稱為驗證科學可行性,第二個目標稱為驗證工程技術可行性。

  目前主要的幾種可控核聚變方式有:磁約束核聚變(托卡馬克)、激光約束(慣性約束)核聚變、超聲波核聚變。其中磁約束是利用強磁場約束帶電粒子,構造反應腔,建成聚變反應堆,將聚變材料加熱至數億度高溫,實現聚變反應。“托卡馬克”型磁場約束法,主要利用大電流所產生的強磁場,把等離子體約束在很小范圍內實現核聚變。慣性約束核聚變是把幾毫克的氘和氚的混合氣體或固體,裝入直徑約幾毫米的小球內,從外面均勻射入激光束或粒子束,球面因吸收能量而向外蒸發,受它的反作用,球面內層向內擠壓(反作用力是一種慣性力,靠它使氣體約束,所以稱為慣性約束),小球內氣體受擠壓而壓力升高,并伴隨著溫度的急劇升高。當溫度達到所需要的點火溫度(幾十億度)時,小球內氣體發生爆炸,并產生大量熱能。這種爆炸過程時間很短,只有幾個皮秒(1萬億分之一秒)。如每秒鐘發生三、四次這樣的爆炸并且持續進行,所釋放出的能量就相當于百萬千瓦級的發電站。


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