核聚变(资料可跳过)(1 / 1)

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核聚变,即轻原子核氘和氚结合成较重的原子核氦时放出巨大能量。

热核反应

,或原子核的聚变反应,是当前๩很有前๩途的新能源。参与核反应的轻原子核,如氢氕、氘、氚、锂等从热运动获得必要的动能而引起的聚变反应参见核聚变。热核反应是氢弹爆炸的基础,可在瞬间产生大量热能ม,但目前尚无法加以利ำ用。如能ม使热核反应在一定约束区域内,根据人们的意图有控制ๆ地产生与进行,即可实现受控热核反应。这正是目前在进行试验研究的重大课题。受控热核反应是聚变反应堆的基础。聚变反应堆一旦成功,则可能向人类提供最清洁而又是取之ใ不尽的能ม源。

定义

核聚变是指由á质量小的原子,主要是指氘或氚,在一定条件下如超高温和高压,发生原子核互相聚合作用,生成新的质量更重的原子核,并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。原子核中蕴藏巨大的能ม量,原子核的变化从一种原子核变化为另外一种原子核往往伴随着能量的释放。如果是由重的原子核变化为ฦ轻的原子核,叫核裂ฐ变,如原子弹爆炸;如果是由轻的原子核变化为重的原子核,叫核聚变,如太阳发光发热的能量来源。

相比核裂变,核聚变几乎ๆ不会带来放射性污染等环境问题๤,而且其原料可直接取自海水中ณ的氘,来源几乎取之不尽,是理想的能源方式。

目前๩人类已经可以实现不受控制的核聚变,如氢弹的爆炸。但是要想能ม量可被人类有效利ำ用,必须能够合理的控制核聚变的速度和规模,实现持续、平稳的能量输出。科学家正努力研究如何控制核聚变,但是现在看来还有很长的路要走。

目前主要的几种可控核聚变方式:

超声波核聚变

激光约束惯性约束核聚变

磁约束核聚变托卡马克

补充内容

每克氘聚变时所释放地能量为58๖x1้08kj。大于每克铀຀235๓裂变时所释放地能量8๖2๐x107๕kj。从能源地角度考虑。核聚变有几个方面比核裂变优越:其一。聚变产物是稳定地氦核。没有放射性污染产生。没有难于处理地废料é;其二。聚变原料氘地资源比较丰ถ富。在海水中氘和氢之比为15x10-4∶1้。地球上海水总量约为10่18๖吨。其中ณ蕴藏着大量地氘。提炼氘比提炼铀容易得多。遗憾地是这个ฐ聚变反应需要非常高地温度。以克服两个带正电地氘核之间地巨เ大排斥力从理论计算。要克服这种库仑斥ม力需要1้09๗c地高温。氢弹地制造原理。就是利用一个小地原子弹作为引爆装置。产生瞬间高温引发上述聚变反应发生强烈爆炸。氢元素地几种同位素之间能发生多种聚变反应。这种变化过程存在于宇宙之间。太阳辐射出来地巨大能量就来源于这类核聚变。但我们目前尚没有办法在地球上利ำ用这类核聚变发电。怎样能取得这样高地温度?用什么เ材料制造反应器?怎样控制聚变过程等各种问题๤尚无答案。

补充:中国核聚变装ณ置地最新า消息:

新华网合肥9月29日຅电å记者喻菲蔡敏程士华世界领ๆ先地中国新一代热核聚变装ณ置east2๐8日首次成功完成了放电实验。获得电流200千安、时间接近3๑秒地高温等离子体放电。

负责这一项目地中ณ国科学院等离子体所所长李建刚ธ研究员在接受新华社记者采访时说。此次实验实现了装置内部1亿度高温。等离子体建立、圆截面放电等各阶段地物理实验。达到了预期效果。

工艺鉴定组专家、中ณ科院基础科学研究局金铎ດ研究员在实验后地新า闻发布会上宣布。eaທst通过国家“九五”大科学工程工ื艺鉴定。参与east研究合作地美国通用原子能公司盖瑞·杰克逊博士说:“east成为世界上第一个建成并真正运行地全超导非圆截面核聚变实验装置。它将在未来10年内保持世界先进水平。”

据了解。east装ณ置是中国耗时8๖年、耗资2亿元人民币自主设计、自主建造而成地。

记者在实验控制室看到,这个ฐ近似圆柱形的大型物体由特种无磁不锈钢建成,高约12๐米、直径约5๓米,据介绍其总重量达400吨。

李建刚研究员说,与国际同类实验装ณ置相比,east是使用资金最少、建设速度最快、投入运行最早、运行后获得等离子放电最快的先进核聚变实验装ณ置。

“这意味着人类在核聚能研究利ำ用领ๆ域取得重大进步,也标志着中国在这一领域进入国际先进水平”,李建刚说。

人们认识热核聚变是从氢弹爆炸开始的。氢弹爆炸时释放出极大的能量,给人类带来的是灾难。而科学家们却希๶望发明一种装置,可以有效地控制ๆ“氢弹爆炸”的过程,让能量持续稳定的输出,以解决人类面临的能ม源短缺危机。

美、法等国在2๐0世纪80่年代中期发起了耗资4๒6亿欧元的国际热核实验反应堆iter计划ฐ,旨ຈ在建立世界上第一个受控热核聚变实验反应堆,为人类输送巨大的清洁能ม量。这一过程与太阳产生能ม量的过程类似,因此受控热核聚变实验装ณ置也被俗称为ฦ“人造太阳”。

中ณ国于200่3年加入iter计划。位于安徽合肥的中科院等离子体所是这个ฐ国际科技合作计划ฐ的国内主要承担单位,其研究建设的eaທst装置稳定放电能力为创记录的1000秒,超过世界ศ上所有正在建设的同类装置。

east大科学工程总经理万元熙教授说,与iter相比,east在规模上小很多,但两者都是全超导非圆截面托卡马克,即两ä者的等离子体位形及主要的工程技术基础是相似的,而east至少比iter早ຉ投入实验运行10至15๓年。因此,无论从人才培养和奠定工程技术及物理基础的角度上说,east都将为ฦiter计划做出重要的、实质性的贡献,并进而为ฦ人类开发和最终使用核聚变能ม做出重要贡献。

不过,万元熙研究员说,虽然“人造太阳”的奇观在实验室中ณ初现,但离真正的商业运行还有相当长的距离,它所发出的电能ม在短时间内还不可能进入人们的家中。但他预ไ测,根据目前世界ศ各国的研究状况,这一梦想最快有可能在3๑0่-50年后实现。

万元熙说,未来的稳态运行的热核聚堆用于商业运行后,所产生的能ม量够人类用数亿年乃至数十亿年。从长远来看,核能将是继石油、煤ศ和天然气之后的主要能ม源,人类将从“石油文明”走向“核能文明”。

原理

简单的回答:根据爱因斯坦质能方程e=mc2๐

原子核发生聚变时,有一部分质量转化为能量释放出来。

只要微量的质量就可以转化成很大的能量。

两ä个ฐ轻的原子核相碰,可以形成一个ฐ原子核并释放出能量,这就是聚变反应,在这种反应中所释放的能量称聚变能。聚变能是核能ม利ำ用的又一重要途径。

最重要的聚变反应有:

式中d是氘核重氢、t是氚核超重氢。以上两组反应总的效果是:

即每“烧’掉6个氘核共放出43๑.24mev能ม量,相当于每个核子平均放出3๑.6mev。它比n+裂变反应中每个核子平均放出2๐00/23๑6๔=0.8๖5mev高4倍。因此聚变能是比裂变能更为ฦ巨大的一种核能。

核聚变能利ำ用的燃料是氘d和氚。氘在海水中ณ大量存在。海ร水中大约每600่个氢原子中就有一个氘原子,海水中ณ氘的总量约4๒0万亿吨。每升海水中所含的氘完全聚变所释放的聚变能相当于3๑0่0升汽油燃料的能ม量。按目前世界消เ耗的能量计算,海ร水中氘的聚变能可用几百亿年。氚可以由锂制ๆ造。锂主ว要有锂-6和锂-7两种同位素。锂-6吸收一个热中ณ子后,可以变成氚并放出能ม量。锂-7要吸收快中ณ子才能变成氚。地球上锂的储量虽比氘少得多,也有两千多亿吨。用它来制造氚,足够用到เ人类使用氘、氘聚变的年代。因此,核聚变能ม是一种取之ใ不尽用之不竭的新能ม源。

在可以预见的地球上人类生存的时间内,水的氘,足以满足人类未来几十亿年对能ม源的需要。从这个ฐ意义上说,地球上的聚变燃料,对于满足未来的需要说来,是无຀限丰富的,聚变能ม源的开发,将“一劳永逸”地解决人类的能源需要。六十多年来科学家们不懈的努力,已在这方แ面为人类展现出美好的前景。

典型的聚变反应是

411h—→42he+ใ20-1้e+ใ267x10่7ev

2๐1h+ใ21h—→32he+10n+3๑2x1้06ev

21h+21h—→31h+ใ11้h+4x10่6ev

31h+21h—→42he+10n+ใ1้76x1้07ev

后三个反应的净反应是

52๐1h—→42๐he+3๑2he+1้1h+21้0n+2๐48x107๕ev

即每5个2๐1้h聚变后放出24๒8x10่7ev能量。

氘是相当丰富的氢同位素,在海洋中每6๔50่0个ฐ氢原子就有1个氘原子,这意味着海洋是极大量氘的潜在来源。仅在1l海ร水中ณ就有1้03x1้02๐2个氘原子,就是说每1km3๑海水中氘原子所具有的潜在能量相当于燃烧1้3600่亿桶原油的能ม量,这个ฐ数字约为地球上蕴藏的石油总储量。

要使原子核之间发生聚变,必须使它们接近到飞米级。要达到เ这个距离,就要使核具有很大的动能,以克服电å荷间极大的斥ม力。要使核具有足够的动能,必须把它们加热到很高的温度几百万摄氏度以上。因此,核聚变反应又叫热核反应。原子弹爆炸产生的高温可引起热核反应,氢弹就是这样爆炸的。

受控核聚变是等离子态的原子核在高温下有控制地发生大量原子核聚变的反应,同时释放出能量。氘是最重要的聚变燃料,海洋是氘的潜在来源,一旦能实现以氘为基本燃料的受控核聚变,人们就几乎ๆ拥有了取之不尽、用之ใ不竭的能源。氢弹爆炸释放出来的大量聚变能ม、原子弹爆炸释放出来的大量裂变能ม,都是不可控制的。在第一颗原子弹爆炸后仅十多年,人们就找到控制裂ฐ变反应的办法,并建成了裂ฐ变电站。原以为氢弹炸爆后能建成聚变电站,但并不如此简单,即使在地球条件下能发生的聚变反应:

31h+ใ2๐1h—→42he+10n+1้76x10่7๕ev

也只能在极高的温度>50่00่cນ和足够大的碰撞几率条件下,才能ม大量发生。因此实际可作为能源使用的受控热核聚变反应,必须在产生并加热等离子体到亿万摄氏度高温的同时,还要有效约束这一高温等离子体。这就是近几十年内研究的难题和期望攻克的目标。中国的中科院物理所、中ณ科院等离子物理所、西南物理研究院在实验工程和理论研究各方面都做了许多的工ื作,也取得了许多重要的进展。

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