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
了20座核电站，使世界核电站总数达到420座。

到1986年底，核电站发电量占世界发电总量的比重已上升到了15%。

同时，核电站发电量占各国发电总量的比重，法国为70%，比利时为67%，瑞典为50%，瑞士和西德两国分别为39%和30%，日本和美国两国分别为25%和17%。

可见社会对核电的需求还是很大，就目前的情况来看发展核电是我们在寻找可替代旧能源的方式之一。

虽然建造核电站发电目前还存在一定的安全隐患如核泄漏，但这不会成为发展核电的束缚，相反这些隐患的存在更加激发了我们对核电的开发与利用。

结论：核聚变的应用还有很多问题亟需解决，核聚变的潜能非常的巨大所需解决的问题难度也很大，聚变的研究必将走上一条各国合作的道路上来，任何一个国家单独研究话费的代价是难以承受的且任何一个国家都没有独立解决所有问题的技术。

虽然聚变的研究与利用面临很大的问题，但这不能掩盖作为一种具有巨大潜能的新能源的崛起的锋芒。

参考文献：
《聚变能及其未来》王乃彦编著
《宇宙能源—聚变》（英）加里麦克拉肯彼特斯托特
《核能》胡生青薛海芬。