核聚变反应

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核聚变反应主要借助氢同位素。核聚变不会产生核裂变所出现的长期和高水平的核辐射,不产生核废料,当然也不产生温室气体,基本不污染环境。

核聚变反应主要原理

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在标准的地面温度下,物质的原子核彼此靠近的程度只能达到原子的电子壳层
核聚变微观示意图 核聚变微观示意图
所允许的程度。因此,原子相互作用中只是电子壳层相互影响。带有同性正电荷的原子核间的斥力阻止它们彼此接近,结果原子核没能发生碰撞而不发生核反应。要使参加聚变反应的原子核必须具有足够的动能,才能克服这一斥力而彼此靠近。提高反应物质的温度,就可增大原子核动能。

核聚变反应反应条件

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聚变反应需要高温,一个聚变反应释放出的能量很少,也是放出一些
即将发生核聚变的反应室 即将发生核聚变的反应室
中子,这种小规模的核聚变反应还是可以借助人为的方法避开高温获得的,但如果要是大量的,就必须热核反应,使聚变反应变成一个自持的反应,就是自己维持自己的反应,就像烧火一样,煤要烧起来的话,一部分燃烧了,这部分燃烧产生的能量又影响到另外一部分温度提高了,另一部分又燃烧了,能量越多,煤燃起来的就越来越旺。
聚变也是同样的性质,一个聚变了之后,能够放出一些中子,同时也产生一些能量,靠本身的聚变提供热的能量,维持温度。但这个温度要维持到一个很高的温度才能够维持热核聚变反应,温度要达到好几百万个摄氏度才能发生聚变反应,当少于这个温度的时候,聚变一会儿就熄灭了,就像烧火一样,火烧的不旺一会儿就灭了。这么高的高温,人为和其他的办法很难达到,只有靠原子核的裂变。聚变有一个好处就是没有核污染,而裂变有核污染。

核聚变反应物理解释

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物质由分子构成,分子由原子构成,原子中的原子核又由质子和中子构成,原子核外包覆与质子数量相等的电子。质子带正电,中子不带电。电子受原子核中正电的 吸引,在"轨道"上围绕原子核旋转。不同元素的电子、质子数量也不同,如氢和氢同位素只有1个质子和1个电子,铀是天然元素中最
核聚变反应堆工作原理 核聚变反应堆工作原理
重的原子,有92个质子和92个电子。
核聚变是指由质量轻的原子(主要是指氢的同位素氘和氚)在超高温条件下,发生原子核互相聚合作用,生成较重的原子核(氦),并释放出巨大的能量。1千克氘全部聚变释放的能量相当11000吨煤炭。其实,利用轻核聚变原理,人类早已实现了氘氚核聚变---氢弹爆炸,但氢弹是不可控制的爆炸性核聚变,瞬间能量释放只能给人类带来灾难。如果能让核聚变反应按照人们的需要,长期持续释放,才能使核聚变发电,实现核聚变能的和平利用。
如果要实现核聚变发电,那么在核聚变反应堆中,第一步需要将作为反应体的氘-氚混合气体加热到等离子态,也就是温度足够高到使得电子能脱离原子核的束缚,让原子核能自由运动,这时才可能使裸露的原子核发生直接接触,这就需要达到大约10万摄氏度的高温。第二步,由于所有原子核都带正电,按照"同性相斥"原理,两个原子核要聚到一起,必须克服强大的静电斥力。两个原子核之间靠得越近,静电产生的斥力就越
国际热核聚变实验反应堆示意图 国际热核聚变实验反应堆示意图
大,只有当它们之间互相接近的距离达到大约万亿分之三毫米时,核力(强作用力)才会伸出强有力的手,把它们拉到一起,从而放出巨大的能量。
质量轻的原子核间静电斥力最小,也最容易发生聚变反应,所以核聚变物质一般选择氢的同位素氘和氚。氢是宇宙中最轻的元素,在自然界中存在的同位素有: 氕、氘 (重氢)、氚(超重氢)。在氢的同位素中,氘和氚之间的聚变最容易,氘和氘之间的聚变就困难些,氕和氕之间的聚变就更困难了。因此人们在考虑聚变时,先考虑氘、氚之间 的聚变,后考虑氘、氘之间的聚变。重核元素如铁原子也能发生聚变反应,释放的能量也更多;但是以人类目前的科技水平,尚不足满足其聚变条件。
为了克服带正电子原子核之间的斥力,原子核需要以极快的速度运行,要使原子核达到这种运行状态,就需要继续加温,直至上亿摄氏度,使得布朗运动达到一个疯狂的水平,温度越高,原子核运动越快。以至于它们没有时间相互躲避。然后就简单了,氚的原子核和氘的原子核以极大的速度,赤裸裸地发生碰撞,结合成1个氦原子核,并放出1个中子和17.6兆电子伏特能量。
反应堆经过一段时间运行,内部反应体已经不需要外来能源的加热,核聚变的温度足够使得原子核继续发生聚变。这个过程只要将氦原子核和中子及时排除出反应堆,并及时将新的氚和氘的混合气输入到反应堆内,核聚变就能持续下去;核聚变产生的能量一小部分留在反应体内,维持链式反应,剩余大部分的能量可以通过热 交换装置输出到反应堆外,驱动汽轮机发电。这就和传统核电站类似了。

核聚变反应最终目标

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利用核能的最终目标是要实现受控核聚变。裂变时靠原子核分裂而释出能量
核聚变反应堆 核聚变反应堆
。聚变时则由较轻的原子核聚合成较重的较重的原子核而释出能量。最常见的是由氢的同位素(读作dāo,又叫重氢)和(读作chuān,又叫超重氢)聚合成较重的原子核如氦而释出能量。

核聚变反应主要优点

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核聚变反应 模拟实验 核聚变反应 模拟实验
核聚变较之核裂变有两个重大优点。一是地球上蕴藏的核聚变能远比核裂变能丰富得多。据测算,每升海水中含有0.03克氘,所以地球上仅在海水中就有45万亿吨氘。1升海水中所含的氘,经过核聚变可提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量。地球上蕴藏的核聚变能约为蕴藏的可进行核裂变元素所能释出的全部核裂变能的1000万倍,可以说是取之不竭的能源。至于氚,虽然自然界中不存在,但靠中子同锂作用可以产生,而海水中也含有大量锂。
第二个优点是既干净又安全。因为它不会产生污染环境的放射性物质,所以是干净的。同时受控核聚变反应可在稀薄的气体中持续地稳定进行,所以是安全的。
核聚变反应堆设备设计稿 核聚变反应堆设备设计稿
目前实现核聚变已有不少方法。最早的著名方法是"托卡马克"型磁场约束法。它是利用通过强大电流所产生的强大磁场,把等离子体约束在很小范围内以实现上述三个条件。虽然在实验室条件下已接近成功,但要达到工业应用还差得远。按照目前技术水平,要建立托卡马克型核聚变装置,需要几千亿美元。

核聚变反应惯性约束

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另一种实现核聚变的方法是惯性约束法。惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体,装入直径约几毫米的小球内。从外面均匀射入激光束或粒子束,球面因吸收能量而向外蒸发,受它的反作用,球面内层向内挤压(反作用力是一种惯性力,靠它使气体约束,所以称为惯性约束),就像喷气飞机气体往后喷而推动飞机前飞一样,小球内气体受挤压而压力升高,并伴随着温度的急剧升高。当温度达到所需要的点火温度(大概需要几十亿度)时,小球内气体便发生爆炸,并产生大量热能。这种爆炸过程时间很短,只有几个皮秒(1皮等于1万亿分之一)。如每秒钟发生三四次这样的爆炸并且连续不断地进行下去,所释放出的能量就相当于百万千瓦级的发电站。

核聚变反应所需燃料

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核聚变消耗的燃料是世界上十分常见的元素--氘(也就是重氢)。氘在海水中的含量还是比较高的,只需要通过精馏法取得重水,然后再电解重水就能得到氘。新 的问题出现了,仅仅有氘还是不够的,尽管氘-氘反应也是氢核聚变的主要形式,但我们人类现有条件下,根本无法控制氘-氘反应,它太猛烈了,所需要的温度要高得多,除了在实验室条件下做一次性的实验外,很难让它链式反应下去--那是氢弹一样的威力。还好,人们发现了氘,氚反应的烈度要小很多,它的反应速度仅仅是氘,氘反应的100分之一,而
磁约束核聚变反应堆 磁约束核聚变反应堆
点火温度反倒低得多,很适合人类现有条件下的利用。
而氚不同于氘,氚是地球上最稀有的元素,由于氚的半衰期只有12或26年,所以在地球诞生之初的氚早已衰变地无影无踪了。现在人类的氚都是人工制造而非天然提取的,人们通常用重水反应堆在发电之余人工制造少量的氚,它是地球上最贵的东西之一,一克氚价值超过30万美元,仅在美国保存有30公斤左右的氚。
这么贵的原料,用作核聚变发电显然是无法接受的,幸好上帝给人类又提供了一种好东西-锂。锂元素也是世界上最丰富的资源,有2000多亿吨。一方面海水中 就包含足够的氯化锂,分离出来即可。另一方面,中国是世界锂资源最丰富的国家,碳酸锂矿也不是稀有资源,更容易获得。锂的2种同位素-锂-6和锂-7,在被中子轰击之后,就会裂变,他们的产物都是氚和氦,目前为止人类在重水反应堆中制造氚,用的就是将锂靶件植入反应堆的方法。
在聚变反应堆内,氚和氘反应后,除了形成一个氦原子核之外,还有一个多余的中子,并且能量很高。我们只需要在核聚变的反应体之内保持一定比例的锂原子核浓度,那么核聚变产生的中子就会轰击锂核,促使锂核裂变,产生一个新的氚,这个氚则继续参与氚-氘反应,继而产生新的中子,链式反应形成了。所以,理论上我们只需要给反应体提供两种原料--氘和锂,就能实现氘,氚反应,并且维持它的进行。

核聚变反应核武器

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核武器就是运用核能做成的武器,人们通俗的称称为原子弹和氢弹。学术上的称呼,原子弹应该叫做裂变武器,氢弹叫做聚变武器。但是聚变武器现在也包含一部分裂变。
所谓裂变,就是利用原子核裂变所提供的能量来做成的武器。

核聚变反应原子核裂变

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原子核的性质是这样的,有轻原子核,有重原子核,但是能够提供能量的一般都是重原子核。现在一般通用来做裂变武器的原子核比较多的是以铀235和钚239这两种为主的。裂变就是一个原子核受到一个中子的打击,打击之后原子核裂开了,变成了两个原子核,裂变过程当中有质量亏损,根据质量和能量的转换关系,裂变产生了巨大的能量。
集中核聚变反应堆 集中核聚变反应堆
一个原子核裂变,能量也并没有多少,大约几百个电子伏,但是在裂变的过程中间,核反应之后通常要放出一些中子出来,放出来的中子数量不是一个定数,有的多一些,有的少一些,但平均是两到三个。裂变之后放出的中子又要使周围其他的和同样的元素、核素起裂变作用,于是一个带七八个、十来个,然后这七八个、十来个,每一个又带七八个、十来个从而产生高能量,很多很多原子核进行裂式裂变反应,产生出作为武器使用的能量。
轻原子核的裂变
第二个能量的来源就是轻原子核的裂变。我们知道化学元素中间最轻的就是氢了,氢的核也是最简单的核,氢也有它的同位素,一个是重氢,还有一个超重氢。这两种同位素都具有比较容易裂变的条件,一个氢原子核跟另外一个氢原子核聚会到一起,发生核反应。原子核和原子核合在一起发生裂变特别困难,要很大的能量才能够使它们聚会在一起,所以就需要很高的温度,因此,这个反应又叫做热核反应或是聚变反应。聚变反应的能量比裂变反应能量大三倍。但是,氢原子核本身质量轻,同样重量的氢元素、聚变元素聚合在一起,原子核数量多,所以总的来看,聚变反应能量比裂变反应能量就不至是大三倍的问题了。

核聚变反应发展前景

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ITER计划
实现可控制的核聚变反应,打造一个“人造太阳”,已成为当今世界挡不住的一大诱惑。因为,这可以一劳永逸地解决人类存在的能源短缺问题,岂不幸哉!
让世人感到兴奋的是,2007年5月24日,在欧盟总部布鲁塞尔,中国、欧盟、美国、韩国、日本、俄罗斯和印度7方代表共同草签了《成立国际组织联合实施国际热核聚变反应堆(ITER)计划的协定》,这意味着与此相关的科研项目将全面启动,“人造太阳”将由梦想逐步变为现实。
ITER计划是一项重大的国际科技合作计划。它的目标是要建造可控制的核聚变反应堆,最终实现商业运行。根据原子弹和氢弹爆炸的原理,核裂变和核聚变产生的能量极大,但核聚变单位质量产生的能量要比核裂变大7倍,利用核聚变为人类造福的前景非常好。
核聚变所需要的氢是宇宙中最丰富的元素。氢的聚变反应在太阳上已经持续了近50亿年,至少还可以再燃烧50亿年。在其他恒星上,也几乎都在燃烧着氢的同位素氘和氚。而氘在自然界取之不尽。科学家初步估计,地球上的海水中蕴藏了大约40万亿吨氘。从1升海水里提取的氘,在聚变反应中所释放的能量,相当于燃烧300升汽油。如果把自然界的氘和氚全部用于聚变反应,释放出来的能量足够人类使用100亿年。与核裂变相比,氘和氚的聚变能是一种安全、不产生放射性物质、原料成本低廉的能源。
在前人研究的基础上,ITER计划最初是由美国和苏联于1985年提出,随后日本和欧盟响应参与。后因苏联解体,1999年美国退出,计划的进展受到了不小的影响,但研究工作并没有停止。2003年,美国宣布重返。接着,中国、韩国和印度先后加入。这使得ITER计划活力更大,实力更强。经过该计划参与方数年的努力,不仅完成了所有法律文件的谈判,而且将ITER的场址确定在法国的卡达拉什。按计划,ITER将于今年开始建造,建设期限大约为10年,耗资约46亿美元。
造太阳的难度
但再造“太阳”的难度也相当大。譬如,如何让聚变后产生的上亿摄氏度的等离子体,长时间内“老实地呆在容器里”,使聚变反应稳定持续地进行。为了制造出这么一个“魔瓶”来,科学家们已经呕心沥血几十年,至今还没有找到一个满意的答案。因此,在ITER计划实施过程中,许多尖端的前沿课题和工程技术难关还有待各国科学家一一攻克。
中国在2003年成为ITER谈判过程中的正式成员。中国科学家参与聚变能的研究开发,对解决中国能源短缺和提高中国的高科技水平,确保可持续发展具有重要现实意义。
当今世界,人口爆炸性地增长,能源、资源危机步步逼近。这项前无古人的ITER计划,或许也是一个别无选择的计划,将为人类的生存和发展创造又一个“太阳”。虽然这个“太阳”离我们还有一段距离,有人估计需要50—100年,不过可以相信,“人造太阳”普照人间的这一天终将来临。

核聚变反应巨大诱惑

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尽管实现受控热核聚变仍有漫长艰难的路程需要我们征服,但其美好前景的巨大诱惑力,正吸引着各国科学家在奋力攀登。
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