核聚变反应堆的原理很简单

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核聚变反应堆的原理很简单,只不过对于人类当前的技术水准,实现起来具有相当大的难度。

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。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。

看起来很简单是吧,只是还有一个问题,能够承载上亿摄氏度超高温反应体的核反应堆用什么材料来制造呢?要知道,太阳表面的温度也才只有6000万度左右。迄今为止,人类还没有造出任何能经受1万摄氏度高温的材料,更不要说上亿摄氏度了。以上这些因素就是为什么一槌子买卖的氢弹已经爆炸了50年后,人类还是没能有效地从核聚变中获取能量的重要原因。

帖子附图:

中国核聚变研究巨大突破:耗资惊人的人造“太阳”计划

作者:柏弧紫于2009-08-28 08:19:46 发表只看该作者

位于四川省成都市双流县白家镇,核工业西南物理研究院聚变研究试验基地的"中国环流器2号A装置" 2006年9月28日,中国耗时6年、耗资3亿元人民币自主设计制造的新

一代托卡马克磁约束核聚变装置"EAST"首次成功完成放电实验,获得电流200千安、时间接近3秒的高温等离子体放电;使EAST成为世界上第一个建成并真正运行的"全超导非圆截面托卡马克"核聚变实验装置。这是中国可控核聚变研究的里程碑式突破。

在古希腊神话中,普罗米修斯从太阳神阿波罗处盗下的天火,照亮了人类的黑夜。在人类现代科技中,可控核聚变技术将照亮人类能源的未来之路,由于可控核聚变反应堆产生能量的方式和太阳类似,因此它也被俗称为"人造太阳"。

太阳是热核聚变反应的典型代表,1938年,美国科学家贝特(H。Bethe)和德国科学家魏茨泽克(C。F。v。Weizsacker)推测太阳能源可能来自它的内部氢核聚变成氦核的热核反应,这甚至早于核裂变模型的提出。太阳的核心温度高达1500万摄氏度,表面有6000度,压力相当于2500亿个大气压。核心区的气体被极度压缩至水密度的150倍。在这里每时每刻都发生着热核聚变,太阳每秒钟把七亿吨的氢变为氦,在这过程中失去400多万吨的质量,这种聚变反应已经持续了几十亿年,它的辐射能量给地球带来无限生机。

世界能源危机

自人类进入工业化以来,世界能源消耗迅速增长。有数据显示,自1973年以来,人类已经开采了5500亿桶石油(约合800亿吨),按照现在的开采速度,地球上已探明的1770亿吨石油储量仅够开采50年,已探明的173万亿立方米天然气仅够开采63年;已探明的9827亿吨煤炭还可以用300年到400 年。核电站发电需要浓缩铀,世界上已探明的铀储量约490万吨,钍储量约275万吨,全球441座核电站目每年需要消耗6万多吨浓缩铀,地球上的铀储量仅够使用100年左右。世界各国水能开发也已近饱和,而风能、太阳能尚无法满足人类庞大的需求。

随着石油价格上涨,能源危机再次被提起,各国也加快了新能源研发,核聚变能就是重点之一。与传统的裂变式核电站相比,核聚变发电具有明显的优势。核聚变所用的重要核燃料是氘,理论上,只需1千克氘和10千克锂(通过锂可得到氘)就可以保证一座百万千瓦聚变核电站运转一天,而传统核电站和火力发电站至少需要100千克铀或1万吨煤。制取1千克浓缩铀的费用是1。2万美元,而制取1千克氘的费用只有300美元。一座100万千瓦的核聚变电站,每年耗氘量只需304千克;而一座百万千瓦裂变式核电站,需要30-40吨核燃料。

氘的发热量相当于同等煤的2000万倍,是海水中大量存在的元素。据测算,海水中大约每600个氢原子中就有一个氘原子,每1公升海水中含有0。03克的氘,通过核聚变反应产生的能量,相当于燃烧300公升的汽油。就是说,"1升海水约等于300升汽油"。地球上的海水总量约为138亿亿立方米,其中氘的储量约40万亿吨,足够人类使用百亿年。锂是核聚变实现纯氘反应的过渡性辅助"燃料",地球上的锂储量有2000多亿吨,海水中的氘再加上锂至少够我们地球用上千亿年。氚虽然在自然界比氘少得多,但可从核反应中制取,也可用于热核反应。科学家们正在以海水中的氘为主要原料,进行核聚变反应试验,以期建立可以投入商业运营的热核聚变反应堆,彻底解决人类未来的能源问题。

更为可贵的是核聚变反应是清洁能源,中几乎不存在放射性污染,核裂变的原料本身带有放射性,而核聚变反应过程中,在任何时刻都只有一丁点的氘在聚变,无需担忧失控的

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