高中物理 第4章 核能 第4节 核能的利用与环境保护 受控热核反应素材 鲁科版选修35Word下载.docx

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所以受控热核反应的研制具有很大的政治意义、经济意义和军事意义。

　　2．受控热核反应的简单原理

　　受控热核反应是利用元素周期表中最轻的元素氘（或者氚）聚变反应成紧密束缚的较重的氦原子核，从而释放出巨大

　　图8-5质量亏损示意

　　的能量。

这能量是由于聚变反应前后发生了质量亏损，即氘和氚聚合成氦（He4）加中子，会出现后者比前者质量减少的现象。

根据爱因斯坦公式E＝mc2，亏损掉的质量就会以和它相当的能量形式释放出来。

但由于参与聚变的原子核带有正电荷，它们之间有很强的静电排斥力，只有当我们使它们之间用极高的速度相互碰撞，才会发生数量可观的聚变反应。

这速度据计算，差不多需要每秒几百公里至一千公里。

用人为的办法实现这个反应目前已经在氢弹爆炸中做到了，但它是非可控的，其释放的能量难于利用。

在太阳等恒星内部，由于温度很高，在它上面的轻元素已经有足够的动能去克服它们之间的静电排斥，而且由于这些星球强大的万有引力使它们约束在一起持续地进行着热核反应，我们人类无时不刻都得到的太阳光和热，就是太阳上进行着热核反应的结果。

所以受控热核反应就是用人工的办法有控制地使氘核加热到很高的温度，让它的无规则热运动彼此连续碰撞，从而产生大量的聚变反应，释放出能量。

当一个氘核（一个质子和一个中子）和一个氚核（一个质子和两个中子）聚变成一个氦核时，氦核和一个中子的质量总和小于一个氘核和一个氚核的质量总和，它们的质量差额就称为质量亏损。

亏损的那部分质量就转化为氦核和中子的动能（约为17.6MeV）。

虽然，在热核反应中，亏损的质量极小（聚合成He4的质量亏损只有0.030377质量单位），但释放出来的原子核能是相当可观的。

由氘和氚聚变成1克氦核，释放出来的能量相当于燃烧10吨煤。

因此，热核反应确实是一种很有前途的能源。

　　图8-6受控热核反应的几个基本问题

　　3．受控热核反应的几个基本问题

　　从上面的叙述，我们知道受控热核聚变首先就是让氘核有很高的温度，一般要几千万度，甚至一亿度，使氘核克服静电排斥，彼此靠近，发生聚变。

但由于高温，这时原来是中性的氘原子气体已经电离成带正电的氘原子核（正离子）和带负电的电子，正负电荷密度相等，所以称之为等离子体。

这样的高温等离子体对容器的器壁必然产生很大的压强，这又带来另一个问题，即要设法让这高温高压的等离子体悬在容器的当中，而不能让它和器壁有任何接触，否则非但高温等离子体会冷下来，使反应不能进行，而且容器本身接触高温也会融化甚至烧毁。

解决这个难题通常用磁场对等离子体进行约束，而对一定强度的磁场要有一个适当的等离子体密度。

聚变反应产生的能量与等离子密度的平方成正比，磁场不仅约束等离子体，不让它与容器接触，而且还可以对等离子体进行压缩，提高它的密度。

这些处于千万度高温下的等离子体并不尽如人意，安份守己接受磁场约束作用，它会因种种原因产生各种各样的不稳定性，也就是说它只能被约束一个很短很短的时间。

为了使足够数量的等离子体发生聚变反应，以使使由于反应所释放的能量足够抵偿维持这个反应对整个系统所消耗的能量，让聚变反应得以自持下去，因而对参与反应时等离子密度N和实现对它可靠约束时间τ之间有一个要求。

除了要求满足高温、适当的密度以及起码的约束时间外，由于聚变反应过程中的轫致辐射，它使能量损失很严重，因而还要求等离子体要有很高的纯度，尽量避免高原子序数的杂质混入。

下面再分别谈谈为了满足这些要求，曾经考虑过的一些想法。

　　图8-7带电粒子在磁场中做螺旋运动示意

　　我们知道当氘核达到聚变反应时，它的热运动速度已经有每秒一千公里的速度，如果不加约束，那末它将四处飞散，碰到容器的器壁把容器烧毁，因此寻找一个合适的约束等离子体的方法始终是最关键问题。

通常选用磁场加以约束，这是由于带电粒子在均匀的磁场作用下受到洛伦兹力①的作用，它的运动轨迹是围绕磁力线做很密的螺旋运动，其螺旋半径与磁场强度成反比。

这时只有当粒子因相互碰撞才能从一条磁力线转移到另一条磁力线，即产生垂直于磁力线方向的移动；

如果磁场与容器壁是平行的话，那么等离子体是不会轻易跑到容器壁上，这样等离子体就被磁场约束起来了（见图8-7）。

对于等离子体作垂直磁力线运动，我们称它为漂移现象，由这现象而导致的离子扩散率是与磁场强度的平方成反比。

所以为了充分地约束住等离子体，通常受控热核反应装置要用一万高斯以上的强磁场。

通过计算和实验证实，有磁场约束的要比没有磁场约束的等离子体的扩散率小几万倍。

但是当外加约束磁场是直管形时，等离子体会很快沿着磁力线从两头跑到装置的端面上，而当磁力线是形成环形封闭时，则常常由于沿环状截面的磁力线分布的不均匀，又会造成等离子体向管壁漂移。

所以设计一种能对等离子体实现可靠约束的磁场的形状（或称磁场的位形）是非常重要的问题。

不过即使在磁场的可靠约束下，要获得一定密度的高温等离子体也是不容易的。

如何提高等离子体温度？

这就牵涉到等离子体加热。

对等离子体加热的方法有很多，如通过对容器内的冷等离子体加热，可以采用欧姆加热办法，因为等离子体具有一定的电阻，在装置中通过大电流，就好象电流通过电阻丝一样而发热。

但单靠欧姆加热不能获得聚变时所要求的高温，因为越是当等离子体温度高时，它的电阻就越是变小，使等离子体温度不能继续升高。

另外的办法是考虑磁场不仅对等离子体起约束作用，而且由于磁场强度变化可以在很短时间内建立强磁场，使磁力线更集中因而更加离开容器壁，这实质上等于对等离子体进行短时间绝热压缩，在此过程中，磁场对等离子体做的功就变成等离子体温度上升，这就是所谓绝热压缩加热办法。

此外，还有激波加热、磁泵加热、离子回旋共振加热、漂移加热等办法，都可以把等离子体加热到高温。

当然亦可以在容器外把等离子体预先加速到一定速度，再注入到有磁场约束的容器内，这样一开始就使等离子体处于高温状态。

但由于库仑碰撞、磁场不稳定导致的漂移、等离子体与容器内中性粒子的电荷交换等原因，会降低等离子体的密度；

因热扩散、轫致辐射、正离子与电子的能量交换又会降低等离子体的温度；

所以始终保持高温、高密度的等离子体是很不容易的。

　　4．几种常见受控热核反应实验装置

　　从上面的叙述，我们知道受控热核反应装置由于它诱人的前景，所以尽管它本身存在种种错综复杂的困难问题，但仍然吸引不少人对它提出各种各样的实现途径。

目前，国际上受控热核反应研究装置类型是非常之多，真是五花八门，各显神通。

据国际原子能机构统计，目前全世界建成了将近四百多个装置，下面仅举其中较为典型的装置略为介绍如下：

“托卡马克”（准稳态环形强磁场受控热核装置）

　　这是一种在强磁场条件下的环形无极放电装置，它主要由脉冲变压器和环形放电环组成。

我们知道等离子体就是裸露的带正电原子核和电子混在一起，所以它导电性质极其良好。

　　图8-8“托卡马克”装置

　　如果把等离子体的环形容器安置在变压器的次级铁芯上当作次级线圈，这时只要初级线圈有电流通过，等离子容器就可以感应一个强的电流（见图8－9）。

这个强电流自身又会形成环绕等离子体的磁场H1，磁场就对等离子体形成一种收缩效应（也叫箍缩效应）。

这是由于同向电流相互吸引的结果。

由于这个效应，等离子体就会收缩到环中心一个很细小的等离子体环中，它既提高了等离子体的温度，又提高了等离子体的密度，也就是说加热、提高密度是一起完成的。

但为了克服被约束等离子体的不稳定性，还必须在等离子体环形容器周围再绕上纵向线圈，让它产生的磁场H2和前面的等离子体自身的约　

　　图8-9托卡马克示意图

　　束磁场H1迭加，形成一个以螺旋形状绕着等离子体旋进磁场，即它的磁力线是沿着环电流成螺旋旋进状态，这样使等离子体尽量向圆环中心压缩，提高了稳定性（图8－10）。

目前托卡马克装置的环形真空室直径达18米，等离子体环的截面积直径达36厘米，它的环形纵向磁场强度达五万高斯，等离子体的电流达30万安培。

这种装置是受控热核反应中比较有代表性的实验，也是较有希望成功的一种装置。

目前国外都把聚变堆最优发展计划放在托卡马克装置上，我国科学工作者于一九七四年七月也建成了一台准稳态环形强磁场受控热核反应装置，并进行了一些实验工作。

图8-10等离子体在环形磁场中运动示意

仿星器类型装置（磁面装置）

　　这种装置是从初期直线形脉冲放电管装置演变发展而来的。

为了克服等离子体不稳定性和放电金属电极挥发原子序数较高的杂质的影响，所以把直线形放电管变成环形无极放电。

它的磁场形状和“托卡马克”相仿（图8－11），早期为了克服在简单的环状轴向磁场形态中会因电荷上下漂移而产生的不稳定性，曾考虑过采用把环状管扭成阿拉伯数字8字形的封闭管，后来由于对外加磁场的研究改进，采用剪切场的办法使比邻平面中的磁力线有相对的扭曲，解决了不稳定性问题，又使仿星器装置简化为环状形态。

这装置与“托卡马克”虽然磁场相似，也是绕着等离子体成螺旋状磁场，但它不是靠环电流等离子体自身磁场实现磁约束，而是靠外加磁场实现磁的绝热、压缩和约束，它的约束和加热可以分别控制。

目前达到的指标和“托卡马克”装置水平差不多。

　　图8-11仿星器装置

磁镜装置

　　为了既要避免在容器中的电极装置，又要避免从直管形容器两端逃逸等离子体，科学家们于是设想了一种特种磁场位形装置，在直管容器的两端经过特别处理，象磁塞或磁镜一样使等离子体不从两端逸出。

这种装置是这样结构（图8－12）：

一个圆柱形容器，外面绕确通电线圈，并要求所形成的磁场位形要在管的中部区域，磁场是平行于圆柱的直线均匀磁场，而在管的两端由于加绕许多线圈，使那里的磁场加强，也就是说在管的两端有特别密集的磁力线。

因为在磁场中运动的带电粒子倾向于从强于平均场的区域中反射回来，强磁场区象塞子一样挡住等离子的去路，象镜子一样把它反射回中部均匀磁场区，这样多数的带电粒子被磁场约束住，就跑不出去。

它的简单原理是由于当等离子体初始运动速度的方向和磁力线成一个较大的角度时，等离子体就会被磁场束缚住。

当它跑到反应器两端的增强磁场区域时，等离子是沿着一条半径逐渐减少的螺旋线运动，其回转频率随半径的减少而增大，当半径γ减小到某一最小值后，粒子反转它的回旋方向，沿一条半径逐渐增大的螺旋线退出增强磁场区。

这样反应器两端象两面镜子来回反射等离子体，并约束它在管的中部轴线附近。

等离子体可由管外一个离子源装置引出，经过加速到几千电子伏的

　　图8-12等离子体在磁镜中的行为

　　能量，再注入到反应器中去，经绝热约束提高等离子体的温度和密度而实现聚变反应。

由于这种装置可以由外部注入高能离子束，因而在加热等离子体方面较为方便；

同时这种装置基本上没有漂移效应，这也是一个突出优点；

在设计有净功率输出聚变反应堆方面这种装置可能较为有利。

但高能量离子注入，难以保证有足够的离子密度，这是磁镜装置的一个难处。

这类装置一个较为典型的设计尺寸如下：

圆柱形容器长12米，内径是1.4米，中部磁场五千高斯，磁镜区磁场八千高斯，管内真空度10-8毫米汞高。

目前达到指标：

温度是一千万度，密度109～1010／cm3，约束时间50毫秒左右。

这类装置二十余年来儿经周折，曾多次寄予希望，也多次处于困境，目前世界上约有三十座这类装置在继续进行研究。

箍缩装置

　　箍缩装置的基本原理也是利用气体放电中导电气体的电流与这电流本身所产生的磁场间的相互作用，如一段直管形放电室或环形容器放电室，当管中的导电气体被突然地脉冲放电或感应放电时，产生一个环绕电流自身的磁场；

这磁场反过来箍缩放电的气体，让它向轴线压缩成很细密的灼热的电流柱，因而实现了等离子体离开容器壁而达到热的绝缘。

但由于被压缩的电流柱常发生扭曲型和腊肠型的不稳定性，如图8－13所示，若电流方向朝上产生自身箍缩磁场，由于腊肠型不稳定性所产生的强电压就造成电流柱中断，所以实现约束的时间太短。

箍缩装置特点是快过程，它要求采取一切措施，尽量加快脉冲放电时间，以便在不稳定性出现之前就实现热核反应，这就是一系列所谓箍缩装置。

这类装置的形式很多，如螺旋箍缩、角向箍缩。

此外还有一些很有意义的受控热核反应装置，如聚焦型反应装置，它也是一种快脉冲放电装置，不过它是利用磁场对等离子体压缩作用，使原来处于低温、低密度的等离子体驱赶到一个很小的焦点处，会聚成高度约束的等离子体，从而产生聚变反应，这里不详细介绍了。

激光核聚变

　　六十年代以来，激光技术象异军突起，取得了非常迅速的进展，对科学技术各个领域产生着重大影响，也为热核聚变研究开创了一个崭新的途径，有可能使热核聚变不再通过传统的磁约束方法得以实现。

　　传统的磁约束办法，是把等离子体加热到很高温度，进而约束到一个相当高的密度，并保持一个足够的时间实现热核聚变反应。

我们知道这条途径的“劳逊条件”Ｎ·

τ＞104厘米-3秒，我们也知道太阳中心的氢是在大于一万倍流体密度和大于1011个大气压下发生聚变反应，如要模拟太阳上热核反应的条件，激光核聚变也要想法让氢压缩到如此高的密度，并让它承受同样的大气压。

目前考虑的办法是把热核聚变材料氘和氚做成一颗颗很小的小丸（图8－14），小丸的直径一般都在1毫米以下，也就是说做成比油莱籽还要小的氘氚小丸，其重量在毫克数量级，有的在氘氚小丸里还要含一些裂变材料U235或Pu239，加进少量裂变材料是因为在高度压缩的情况下裂变物　

　　图8-14激光聚变的氘氚小丸

　　质产生链式反应所要求的临界质量只要很小很小就可以了。

计算表明，大约在零点几克的数量级所以加进裂变材料，是希望在高度压缩情况下，可以首先实现裂变链式反应，释放大量核能，以提高氘核小丸的温度，这样也可以减少对激光功率的要求。

对氘氚小丸可以利用千焦耳甚至万焦耳的大功率激光从四面八方甚至几十个方向在一个极短的毫微秒时间里突然同时对小丸进行照射，把聚变材料向心高度压缩，以至使小丸的直径缩小二十多倍。

由于直径的减小，燃烧小丸的时间也可以相应减少一千多倍，这时小丸内材料的密度达到液态时密度的一万倍以上，小丸温度可达到一亿度以上。

这就意味着人工的小太阳被“点燃”了。

这样的设想能办得到吗？

我们知道目前的激光经聚焦后可达1017瓦／cm2，在这个强度下，仅光压就达到108大气压，若通过表面消融，即让小丸的表面材料先汽化，这时小丸如同一只球形火箭，汽化的材料以每秒几千英里速度向四面八方飞去，因此小丸的各个方面受到向心的反作用力使小丸发生向心压缩爆炸，尤其是采用空心球向心爆炸方式，由于外加压强作用在较大面积上可以提高压强的倍增因子，经计算证明，通过向心爆炸可使小丸受到1010～1012大气压，这就和太阳表面的氢受到的压强差不多了。

在这样高的压强下，由于小丸内材料密度的增大比直径的缩小速度还快，可以把它们大量动能消耗在小丸内部，更有利小丸的温度增高，也更有利于聚变反应的自持下去。

基于这样的估计，我们相信激光引发轻核聚变可能是一个富有希望的途径。

　　国外已有不少工程公司着手进行激光核聚变的实用反应堆的研制和设计，初步设想就是将已做成一颗颗小丸的聚变材料让它依次投入微爆室，让激光依次引爆。

当然这个微爆室的“微”字仅是相对于氢弹爆炸而言，“微爆”一般控制在几十磅T.N.T.炸药当量级。

引爆释放出来的核能通过热交换器，取出热能供应发电。

据设计计算，对于五百万千瓦的大功率发电站，大约每秒钟只要引爆100颗小丸就够了。

当然亦可做成10个微爆室，每个室每秒钟引爆10次就行了。

激光核聚变将遇到的复杂问题还会很多，要走过的路程还是很长，但它目前仍然是引人瞩目的途径。

　　从目前情况看，实现受控热核反应，建立热核反应堆直接作为社会生产的动力资源，解决人类未来的能源问题，肯定将要遇到的问题是极多，困难是极大，但它诱人的前景毕竟令人向往，因此它必然成为全世界各国普遍关心的尖端课题。

虽然目前对于这种新能源的研究还处于探索阶段，但是人类认识自然、征服自然的能力是无限的，随着人类对原子和原子核世界不断探索，工业技术不断发展，我们可以期望热核聚变反应将在受控的情况下为人类放出光和热。

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