简述核聚变的原理及应用前景

简述核聚变的原理及应用前景

龚炜（1143022064）

摘要：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。释放的这些能量中很少的一部分用来维持聚变反应的继续进行，剩余的大部分能量将以热能的形式释放。我们研究核聚变反应很大程度上就是为了利用这剩余的能量。这些能量可以用于发电作动力源等。

关键词：核聚变原理应用危害

引言：人类社会进入高数发展的21世纪，对能源的需求将进一步增加。因为人类社会的发展是建立在能源消耗的基础上的，和能源技术的进步分不开，人类依赖能源而生存。据有关部门统计，人类从公元1年到公元1850年期间总共消耗7.4Q；从1850-1950年期间能量消耗为9Q；从1950-2000年期间能量消耗为11Q；预计2000-2050年将耗能61Q。面对日益加剧的能源消耗，而且常用的石油、天然气、煤炭等能源有限且对环境的污染较大。因此人类迫切需要一种储量大且对环境破坏小的能源，于是人类发现了聚变能。从此核聚变的研究竞相出现。

正文：核聚变的原理

主要原理：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

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。

反应条件：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。

即将发生核聚变反应

物理解释：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。

应用及前景

对于聚变的应用，最常见的就是聚变电站。聚变电站可分为磁约束聚变电站和惯性约束聚变电站。

磁约束聚变：核聚变的研究经历了漫长的历史，早在二次世界大战期间，美国在研制原子弹的同时，已经关注热核聚变反应的可能性，二战末期美、英和苏联从军事上考虑，一直在相互保密的情况下展开核聚变研究。美国主要开展磁约束的各种途径，其中包括仿星器、磁镜和箍缩等方法。到如今，已进入真正的氘氚燃烧试验阶段。国际核聚变研究转入验证工程可行性为主的聚变工程技术研究。1985年有美、苏首脑会议倡议的一项国际热核实验堆ITER，在国际原子能机构支持下，有美国、日本、欧共体和俄国四方合作建造，在1988-1990已完成概念设计，1992年又开始工程设计研究，预计建成后它将产生1.5GW聚变功率、等离子体电流21MA，燃烧时间长达16分钟，计划投资80亿美元。（该工程设计与2001年完成）此经过五年谈判，ITER计划七方(中国、欧盟、印度、日本、韩国、美国、俄罗斯)2006年正式签署联合协议，启动实施ITER计划。ITER计划将历时35年，其中建造10年，运行和开发利用阶段20年，去活化阶段5年。我国积极参加该计划，为我国未来能源科持续发展做出的重大战略部署，通过参加ITER装置的建造和运行，全面掌握磁约束核聚变研究和技术成果，锻炼、培养一支高水平聚变科研和工程技术人才队伍；带动我国其他相关领域的技术发展（包括材料技术、超导技术、复杂系统控制技术、等离子体技术、大功率微波技术、成套设备制造技术等）；推进我国核聚变能源的研究发展。有此可以看出该项研究具有广大的前景和未来。

惯性约束聚变：研究惯性约束聚变是为了能向社会提供一种安全、清洁、经济的能源。主要用于建造核电站。据国际原子能机构统计，1984年，全世界有34座核电站投产发电，使世界核电站发电量增长17%，达到2200亿瓦。当年，全世界新建核电站14座。到1986年底，全世界在运转的核电站达到376座，总装机容量达到2769.75亿瓦；在建的核电站有135座，总装机容量为1469.31亿瓦；拟建的核电站有124座，总装机容量为1218.9亿瓦。到1987年6月底，全世界在运转的核电站有389座，总装机容量达到3000亿瓦。当时，世界各国核电站所提供的电力，相当于700多万桶石油的能量。去年，全世界又增加