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聚变反应

聚变反应,除了重原子核铀-235、钚-239等的裂变能释放核能外,还有另一种核反应,即轻原子核(氘和氚)结合成较重的原子核(氦)时也能放出巨大能量,这种核反应称为聚变反应。

又称核融合、融合反应或巨变反应。是指由质量小的原子,主要是指氘或氚,在超高温和高压的条件下,发生原子核互相聚合作用,生成新的质量更重的原子核-氦,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量,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 [1]

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

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。

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于成功,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。

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。

原理上虽然就这么简单,但是现有的激光束或粒子束所能达到的功率,离需要的还差几十倍、甚至几百倍,加上其他种种技术上的问题,使惯性约束核聚变仍是可望而不可及的。

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。

核聚变原理是: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。因此,聚变反应对温度极其敏感,在常温下其反应速度极小,只有在1400万到1亿度的绝对温度条件下,反应速度才能大到足以实现自持聚变反应。所以这种将物质加热至特高温所发生的聚变反应叫作热核反应,由此做成的聚变武器也叫热核武器。要得到如此高温高压,只能由裂变反应提供。

热核材料:核聚变反应一般只能在轻元素的原子核之间发生,如氢的同位素:,它们原子核间的静电斥力最小,在相对较低的温度(近千万摄氏度)即可激发明显的聚变反应生成氦,而且反应释放出的能量大,一千克聚变反应装药放出的能量约为核裂变的七倍。但在热核武器中不是使用在常温下呈气态的氘和氚。氘采用常温下是固态化合物的氘化锂,而氚则由核武器进行聚变反应过程中由中子轰击锂的同位素而产生。1942年,美国科学家在研制原子弹过程中,推断原子弹爆炸提供的能量有可能点燃氢核引起聚变,并以此制造威力比原子弹更大的超级弹。1952年1月,美国进行了世界上首次代号“迈克”的氢弹原理试验,爆炸威力超过1000万吨当量,但该装置以液态氘作热核材料连同贮存容器和冷却系统重约65吨,不能作为武器使用,直到固态氘化锂作为热核装料的试验成功,氢弹的实际应用才成为可能。中国于1966年12月28日成功进行了氢弹原理试验,1969年6月17日由飞机空投的300万吨级氢弹试验圆满成功。

核聚变反应堆的燃料来源十分充足,辐射泄漏处于正常范围之内,与目前的核裂变反应堆相比,其放射性废物更少。下面让我们来了解这种前景广阔的能源。

与其他能源相比,核聚变反应堆有几项显著的优点,因而一直备受媒体关注。它们的燃料来源十分充足,辐射泄漏处于正常范围之内,与目前的核裂变反应堆相比,其放射性废物更少。

迄今为止,还没有人将这一技术应用到实践中,但建造这种反应堆实际上已为期不远。目前,核聚变反应堆正处于试验阶段,美国以及世界其他地区的多个实验室都开展了这项研究。

美国、俄罗斯、欧洲和日本经过协商,建议在法国卡达拉什建立一座名为国际热核试验堆 (ITER) 的核聚变反应堆,旨在研究通过持续核聚变反应来发电的可行性。在本文中,我们将介绍关于核聚变的知识,并了解 ITER 反应堆的工作方式。

同位素是指质子数电子数相同,但中子数不同的同一类元素的原子。下面是核聚变中一些常见的同位素:

氕是带一个质子而没有中子的氢同位素。它是氢的最常见的一种形式,也是宇宙中最普遍的元素。 氘是带一个质子和一个中子的氢同位素。它不具有放射性,可从海水中提取。 氚是带一个质子和两个中子的氢同位素。氚具有放射性半衰期约为 10 年。氚不会自然形成,但用中子轰击锂可产生氚。 氦 3 是带有两个质子和一个中子的氦同位素。 氦 4 是氦在自然界中最为普遍的一种形式,它带有两个质子和两个中子。

目前的核反应堆利用核裂变来产生能量。在核裂变中,能量是通过一个原子分裂为两个原子来释放的。在传统的核反应堆中,铀的重原子在高能中子的轰击下发生裂变,这会生成巨大的能量,同时产生长期的辐射和放射性废物(详见核能工作原理)。

核聚变的能量是通过两个原子合并为一个原子而产生的。在核聚变反应堆中,氢原子发生聚变,进而形成氦原子、中子,并释放巨大的能量。氢弹和太阳的能量就是靠这种反应提供的。与核裂变相比,核聚变所产生的能量更加清洁、安全、高效,其能量来源也更为丰富。

核聚变反应分为多种类型。其中大多数都涉及氢的同位素氘和氚:

质子链 -- 这一序列是太阳等恒星中最主要的核聚变反应模式。

两个中子形成两个氘原子

每个氘原子与一个质子结合,生成一个氦 3 原子。

两个氦 3原子结合,生成不稳定的铍 6。

铍 6 衰变为两个氦 4 原子。

这些反应会生成高能粒子(质子、电子、中子、正电子),并放出辐射(光线、伽马射线)。

氘-氘反应 -- 两个氘原子结合,生成一个氦 3 原子和一个中子。

氘-氚反应 -- 一个氘原子和一个氚原子结合,生成一个氦 4 原子和一个中子。其中大部分能量以高能中子的形式的释放。

从概念上讲,利用反应堆中的核聚变十分容易。但为了让这一反应以可控、无害的方式进行,科学家们历经周折。为了了解其中的缘由,我们需要先看一下发生核聚变的必要条件。

氢原子聚合时,它们的原子核必须结合在一起。然而,由于每个原子核中的质子都带有相同的电荷正电),因而会互相排斥。如果你曾试着将两块磁铁放在一起并感到它们互相推开,则意味着你已亲身体验了这一原理

若要实现核聚变,你需要创造一些特殊的条件来克服这种排斥力。下面是发生核聚变的一些必要条件:

-- 高温可为氢原子提供足够的能量,以克服质子之间的电荷排斥。

核聚变需要的温度约为 1 亿开(约是太阳核心温度的六倍)。

在这样的高温下,氢的状态为等离子体,而不是气体。等离子体是物质的一种高能状态,其中所有电子都从原子中剥离出来,并可以自由移动。

太阳的高温是由重力压缩核心的巨大质量而产生的。我们要制造出这样的高温,就必须利用微波、激光和离子粒子能量

高压-- 压力可将氢原子挤在一起。氢原子之间的距离必须在 1x10-15 米以内,才能进行聚合。

太阳利用其质量和重力将核心内的氢原子挤压在一起。

我们要将氢原子挤压在一起,必须使用强大的磁场、激光或离子束

借助目前的技术,我们只能实现发生氘-氚聚变所需的温度和压力。氘-氘聚变需要的温度更高,这种温度有可能在将来实现。基本上,利用氘氘聚变会更加方便,因为从海水中提取氘比从锂中提取氚要更加容易。另外,氘不具有放射性,而且氘氘反应可释放更多的能量

有两种方法可实现发生氢聚变所需的温度和压力:

磁约束使用磁场和电场来加热并挤压氢等离子体。法国的 ITER 项目使用的就是这种方法。

惯性约束使用激光束或离子束来挤压并加热氢等离子体。在美国劳伦斯利弗莫尔实验室的国家点火设施中,科学家们正在对这种试验方法展开研究。

ITER Tokamak 反应堆

我们首先探讨磁约束。下面是它的工作原理

加速器释放出微波、带电粒子束和中性粒子束,用于加热氢气的气流。在高温下,氢气从气态变为等离子体。这种等离子体受到超导磁体的挤压,进而发生聚变。在用磁场约束等离子体时,最有效的磁体形状是面包圈形(即环形)。

采用这种形状的反应堆称为 Tokamak。ITER Tokamak 将是一个独立式反应堆,其部件都装在不同的盒子中。进行维护时,工作人员可以方便地插入和拔出这些盒子,而不必拆开整个反应堆。该 Tokamak 的等离子体环形室将采用 2 米的内半径和 6.2 米的外半径。

下面我们来详细考察 ITER 核聚变反应堆,看看磁约束是如何起作用的。

ITER Tokamak 反应堆的主要组件包括:

真空室 -- 用于盛放等离子体,并将反应室置于真空中

中性束注入器(离子回旋系统)-- 将加速器释放的粒子束注入等离子体中,以便将等离子体加热到临界温度

磁场线圈(极向环形)-- 用磁场来约束、定型和抑制等离子体的超导磁体

变压器/中央螺线管-- 为磁场线圈供电

冷却设备(冷冻机低温泵)-- 用于冷却磁体

包层模块 -- 由锂制成,用于吸收核聚变反应中的热量和高能中子

收集器 -- 排出核聚变反应中的氦产品

下面是磁约束核聚变过程的作用机制:

核聚变反应堆加热氘和氚燃料的气流,使之形成高温等离子体。接下来,反应堆对等离子体施加压力,继而发生聚变。

启动核聚变反应所需的电能约为 70 兆瓦特,但该反应生成的电能约为 500 兆瓦特。

核聚变反应将持续 300 到 500 秒(最终将形成持续的核聚变反应)。

等离子体反应室外部的锂包层将吸收核聚变反应中释放的高能中子,从而产生更多的氚燃料。在高能中子的作用下,这些包层也会被加热。

水冷回路将热量转移至热交换器,最终形成蒸气

蒸气将被重新压缩成水,以便让热交换器吸收反应堆中的更多热量。

起初,ITER Tokamak 将测试建造持续核聚变反应堆的可行性,最终将变为一座测试核聚变发电厂。

劳伦斯利弗莫尔实验室的国家点火设施 (NIF) 中,科学家们正在试验用激光束来诱发聚变。在 NIF 设备中,192 条激光束将聚焦于一个直径为 10 米的靶室上的一点,这个靶室称为黑体辐射空腔。根据科学和工程百科全书,黑体辐射空腔是指“腔壁与腔内的辐射能量达到平衡的腔”。

在靶室内部的焦点上,将有一个豌豆大小的氘-氚粒状物,其外侧包有一个小型塑料圆筒。激光的能量(180 万焦)将加热圆筒,并生成 X射线。在高温和辐射的作用下,粒状物将转化为等离子体,且压力不断升高,直至发生聚变。核聚变反应寿命很短,大约只有百万分之一秒,但它释放的能量是引发核聚变所需能量的 50 到 100 倍。在这种类型的反应堆中,需要相继点燃多个目标,才能产生持续的热量。据科学家估计,每个目标的成本可控制在 0.25 美元左右,从而大大降低了核电厂的成本与磁约束核聚变反应堆类似,惯性约束核聚变中的能量也将被转移至热交换器生成蒸气,进而通过蒸气来发电。

目前,NASA 正在研制一种小型的核聚变反应堆,用于为深空火箭提供动力。核聚变推进器具有无限的燃料供应(氢),其效率更高,可令火箭飞得更快。

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