可控核聚变的发展历程和现状探析,核物理论文.docx

可控核聚变的发展历程和现在状况探析,核物理论文摘 要： 能源是人类发展的基础, 核聚变则因其安全高效、释放能量宏大等特点而备受瞩目。文章首先介绍核能的应用现在状况与背景, 研究核聚变的有关知识和原理, 讨论可控核聚变的发展历程和现在状况, 并对不同时期和方式的可控核聚变进行探究, 对核聚变的应用进行总结与瞻望。 本文关键词语： 核能; 核聚变; 新能源; 0、 引言 在当今世界, 能源已成为一个日益重要的问题。当前, 化石能源产生的化学能仍然是能源的主要来源, 大规模利用化石能源和温室气体排放造成的环境污染和全球变暖给社会的可持续发展带来严峻挑战, 具体表现出在经济等多方面, 甚至影响人类的生存。同时, 由于化石能源的不可再生性, 随着人类的不断发展和利用, 化石能源将逐步减少并最终面临干涸, 这可能导致严重的能源危机。人类对新能源有着史无前例的期望。核聚变及其优势已成为解决人类能源危机最可能的途径。 本文在查阅大量资料的基础上, 以核能应用现在状况及背景、核聚变原理及方式方法、核聚变的总结与瞻望3个模块, 对核聚变当前的发展状况及前景进行介绍。 1、 核能应用现在状况与背景 核能的开发利用是当代能源史上的一个重要里程碑。早在1942年12月2日, 费米就建造了第一座核裂变链反响堆, 并逐步把握了核能。与化学反响不同, 核能通过核反响, 从一个元素到另一个元素或同位素将核构造从一个核转换为另一个核, 进而产生释放能量的质量损失。 根据质量能量公式, 当核反响成为另一个元素时, 该元素释放核中包含的大量核能。爱因斯坦能量和质量转换的公式是: 式中, E为能量, 单位为J;m为质量, 单位为kg;c为真空中的光速, 为3 108m/s。由于c2的数值很大, 所以质量很小的物质便能够转换成宏大的能量。 当前, 核裂变和核聚变是获得核能的两种途径, 相应的能量是核裂变能和核聚变能。核裂变有两种, 自发核裂变和人工核裂变。它通常是指较重的激发态核毁坏屏障并分裂成两个类似质量的较轻核, 并由于某些内部机制而产生质量损失。能源的释放已到达工业应用的规模, 核聚变当前仅用于军事领域, 即制造氢弹。 2、 核聚变 受控核聚变反响堆是知足核聚变条件以利用其能量的装置。当前, 有两种主流方式方法:一种是磁约束核聚变, 另一种是惯性约束核聚变。当然, 随着科学技术的发展, 世界上出现了很多新方式方法, 本文统称为非常规核聚变反响方式方法。 2.1、 核聚变的原理 核聚变也称为核聚变或热核反响。原理是小质量原子 (主要称为氦原子) 在极高的温度和压力条件下能够互相结合并互相碰撞, 使两个核心互相吸引和碰撞。这会产生新的和更重的核心 (例如氦气) 并产生质量损失。由于原子核之间的融合需要到达飞秒水平, 原子需要大量的动能来克制库仑势垒, 因而核聚变需要在极高的温度下进行。核聚变不太可能发生和控制, 而不是核裂变。核聚变具有下面优于核裂变的优点: (1) 核聚变可释放出比核裂变更大的能量; (2) 没有高端核废料, 对环境无重大污染; (3) 提供足够的燃料。地球含有大约10万亿吨的重氢 (海水中的锶含量为30毫克/升, 锶在海水中的融合产生的能量和300升汽油的燃烧能量) 。根据这种计算, 地球上包含的聚变燃料足以供将来使用, 并且在某种意义上能够讲是无限丰富的。 2.1.1、 可控的意义 要想明白人类追求技术的意义, 首先要明白什么是可控。可控, 是指事物能够根据人类的预期和把控的节拍进行发展。简单来讲, 就是能让事物按人类的思想运动。其实, 每当一种力被人类理解时, 人类历史就会发生宏大变化。世界上所有物体的作用方式都能被分解为引力和电磁力, 正是牛顿的力学思想和后世诸如法拉第麦克斯韦的研究让人类把握了这两种力。而核聚变作为人类把握最后两种力 强核力、弱核力的代表, 将决定人类接下来的命运。 2.1.2 、主流的核聚变方案 (1) 第一代 核聚变反响。通过电解水 (主要是氦和氖) 然后加热氢来产生。此时, 氢气变为离子状态, 然后氢气被压缩, 使得它们相互足够接近以进行核聚变并释放大量能量。氘和氚之间的聚变反响产生中子并释放17.6MeV的能量 (两个铋的聚变反响释放约14.1MeV) 。其核反响方程是: 该核反响的缺点是会产生中子, 所以氘氚聚变只能算 第一代 聚变。 (2) 第二代 核聚变反响。第二代核聚变反响是氘和氦3反响, 反响步骤和原理能够参考第一代, 反响本身不产生中子, 但由于存在有氘, 氘反响也产生中子, 但总量非常小。 (3) 第三代 核聚变反响。 第三代 融合是让氦3和氦3反响, 融合后就没有中子, 能够讲是最终的融合。 这里应该提到核聚变反响方式方法和恒星太阳方程不同于这3种类型:太阳如今主要是碳循环的核反响, 华而不实没有产生自由中子, 核心温度缺乏以使质子直接碰撞, 因而能够通过量子隧穿实现反响。 2.2、 磁约束核聚变 在控制核聚变中, 必须讲到磁约束核聚变。磁约束核聚变的原理是利用具有特定形状的强磁场来约束和压缩高温等离子体, 以实现受控核聚变的点火条件, 进而实现连续可控的核聚变反响。对于氘氚聚变反响来讲, 条件是:温度较高, 离子密度要求大于1个/m3, 约束时间大于1s。这是迄今为止在核聚变领域投入, 最多的研究。该研究的重点主要是托卡马克的研究 (如国际热核聚变实验) 。国际热核实验反响堆 (ITER) 项目以及在这方面获得的成果也是最有希望的。1997年, 欧洲联合环装置的核聚变能力超过16MW。日本的JT-60U设备也到达了输入功率比大于1的聚变功率, 并证实了受控核聚变的可行性。 2.3、 惯性约束核聚变 惯性约束核聚变是实现核聚变的另一种方式。惯性约束核聚变的方式方法是将几毫克的氘和氚的混合气体或固体 (或锂) 放入直径约为几毫米的小球体中, 并均匀地注入激光束或粒子束。在外面, 球形外表吸收能量并向外蒸发。由于其反响, 球面的内外表向内压 (反作用力是惯性力, 受气体约束, 因而惯性约束) , 球中的气体被挤压, 温度上升到所需的点火温度 (大约几十亿) 。最后, 球中的气体熔化并产生大量热量。这种爆炸经过非常短, 反响不能连续进行。但是, 假如在几秒钟内发生34次这样的爆炸并继续, 那么释放的能量能够与100万kW的发电站进行比拟。除此之外, 由于驱动源和熔融叠层在空间上相互分离, 惯性约束的熔融叠层将比磁约束叠层更容易熔合。 2.4、 当前面临的问题 当前, 核聚变所面临的难点主要是等离子体的不稳定行为和容器材料的问题。这是当下核聚变的难点, 尤其是等离子体的不稳定行为是当前的主要问题。等离子体的非线性行为一直困扰着人类, 当前还没有好的解决方案。而且, 从商业角度来看, 聚变反响堆功率太低而不能商业化。 2.5 、非常规核聚变反响 下面两种方式方法是本文作者在探究核聚变的经过中通过考虑最终在信息媒介中找到的方式方法。 2.5.1、 子催化核聚变反响 当核反响类似于化学反响时, 我们正在考虑核反响能否具有催化剂, 由此发现 子催化核聚变反响。核心的内部构造复杂而稳定, 假如轻核外部的电子被 子替换, 则核的稳定性可能大大降低, 并且更可能发生两个核之间的聚变反响。在实验中, 发现当 子在液态氢中缓和至仅几eV (电子伏特) 时, 它很容易被原子核的正电荷吸引, 进而构成 子型分子和核聚变反响, 能够提高大约80个数量级。除此之外, 子核聚变反响可以释放 子, 其可继续催化新一轮核聚变反响, 进而构成类似于核裂变反响的链式反响经过。 子催化比传统的核聚变反响具有更多优点。 2.5.2、 General Fusion的方式方法 General Fusion是一家致力于商业核聚变的公司。他们的方式方法是首先在100万A和1000kV燃料的条件下在反响堆外产生超过500万的等离子球;然后是氘-氚等离子体颗粒进入液体铅的旋转涡流, 向内挤压通过一组蒸汽活塞, 压缩压力将等离子球加热到1.5亿。假如在几微秒内到达所需压力, 则等离子体将内爆并产生核聚变条件, 最终产生100200MW的电能。他们拥有非常好的仪器, 并且在将可来以到达将等离子体压缩到核聚变所需的水平。 3、 总结与瞻望 能源作为人类生存发展的基础, 是人类科技发展中最重要的课题。而核聚变作为当前最有可能让人类摆脱能源危机的一次能源, 人类也投入了大量精神进行研究。笔者一直以来对核能相关议题比拟关注, 在查阅相关资料后, 经过本身消化总结给出自个的理解和知识图谱。本文首先总结了当前人类核聚变的研究进展, 进而介绍了一些非常规的核聚变方式, 并在这个经过中引入考虑给出本身理解。假如可控核聚变能够迈出商业化应用这重要一步, 全球性能源问题必将大大改变, 世界现有的能源供应和需求格局也将重新洗牌, 在充足、高效的能源供应下, 航天飞行器将在外太空探寻求索中走得更远, 人类社会文明将得到更高层次速的发展。最后, 回到能源角度, 只靠核能不能完全解决能源危机, 提高输送能源的效率, 以及人类本身对能源的节约都是特别重要的一环。 以下为参考文献 1孙小军, 余呈刚.核裂变现象及其研究现在状况J.广西物理, 2018 (2) :14-19. 2陈伟, 张军, 李桂菊.核电技术现在状况与研究进展J.世界科技研究与发展, 2007 (5) :81-86, 106. 3方延平, 戴革林, 王保成, 等.核聚变 消除人类能源危机的济世良方J.物理与工程, 2005 (2) :33-35. 4谭宝林, 潘传红, 郝颖.对受控核聚变研究途径的再考虑J.自然杂志, 2002 (6) :348-351.