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受控核聚变基本原理
2012-10-04| 作者: | 点击:次 |

  在一定条件下,一个氘核(由一个质子一个中子组成)和一个氚核(由一个质子和二个中子组成)会发生聚变核反应,生成一个氦核(二个质子和二个中子组成),并放出一个中子。精密的测量表明,氦核加上一个中子的质量之和小于一个氘核与氚核反应前的质量之和!发生了明显的质量亏损。根据著名的爱因斯坦质能公式E=mc2,反应过程中出现的质量亏损转化为巨大的能量释放出来。从获得能量的观点来看聚变核反应主要是如下两种:

   

  其实早在五十年代初地球上就实现了聚变核反应,这就是氢弹的爆炸。它是依靠原子弹爆炸时形成的高温高压,使得氢弹里面的热核燃料氘氚发生聚变反应,释放巨大能量,形成强大无比的破坏力。可惜这种瞬间的猛烈爆炸无法控制。要把聚变时放出的巨大能量作为社会生产和人类生活的能源,必须对剧烈的聚变核反应加以控制,因而称为受控核聚变。

 

  但是,要控制剧烈的聚变核反应胜过驾驭一匹挣脱羁绊的烈性野马,困难极大,谈何容易!那么,究竟难在那里呢?

 

  极高的温度

  要使两个原子核发生聚变核反应,必须使它们彼此靠得足够近,达到原子核内核子与核子之间那么近的距离,即10-15米以内,这时核力才能将它们“粘合”成整体形成新的原子核。由于原子核都带正电,当两个核靠得越来越近的时候,它们之间的静电斥力也越来越大。静电斥力也叫静电势垒,它好像一座高山一样把两个氘核隔开。根据实验资料估计,使两氘核相遇,它们的相对速度必须大于每秒1000公里。这时氘核具有极大的动能。对于一团氘核整体而言,此时它们具有极高的温度。而两个氘核的聚变反应,温度必须高达一亿度!对于氘核与氚核间的聚变反应,温度必须在五千万度以上。这是多么苛刻的条件!

  大家知道灼热的太阳表面才只有六千度。因而这种在极高温度下才发生的聚变核反应也叫热核反应(裂变核反应是在常温下进行的)。在如此高温下,物质已全部电离,形成高温等离子体。可见,开发利用核聚变能源首先必须产生一团高达上亿度的异乎寻常的高温等离子体。

  充分的约束

  充分的约束,就是说将高温等离子体维持足够长的时间(相对而言),以便充分地发生聚变反应,放出足够多的能量,使聚变反应释放的能量大于产生和加热等离子体本身所需的能量及其在这过程中损失的能量。这样,利用聚变反应放出的能量来维持所需的极高温度,毋需再从外界施入能量,聚变反应也能自持地进行下去,此时这只“烧”聚变原料的特殊“炉子”已经点着了。表征这个概念的科学术语叫“聚变点火”。那么约束时间多长才能实现点火呢?约束时间跟密度有关。密度大,单位时间里参加反应的原子核较多,放出能量也多,因而约束的时间可以相应地短些。反之,约束时间必须长些。英国科学家劳逊在五十年代详细研究了实现聚变点火必须满足的条件,因此,点火条件也称劳逊条件或劳逊判据。它是温度T和约束时间τ跟密度n乘积的函数。

  最后,应该指出,实现点火仅是受控核聚变研究的第一步。炉子点着了必须烧得很旺才能使用。受控核聚变研究的第二个目标是使输出的能量超过输入的能量,获得净聚变能,建成核聚变发电站。科学家们把第一个目标即实现点火称为验证科学可行性,第二个目标称为验证工程技术可行性。

 
 

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