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聚变简介

 

聚变是轻核(主要是氢的同位素氘和氚)聚合成较重的原子核,同时释放出巨大能量的过程,太阳发光发热和氢弹爆炸就是这样的原理。聚变能的特点是:聚变反应释放出大量的能量(一升海水中的氘通过聚变反应可释放出相当于300升汽油燃烧的能量);聚变资源丰富(地球上海水中所含的氘,如果用于氘氘聚变反应可供人类用上亿年,而用于产生氚的锂也有比较丰富的储量);聚变的反应产物是比较稳定的氦。由于其固有的安全性、环境的优越性、燃料资源的丰富性,聚变能被认为是人类最理想的洁净能源之一。
 

 聚变反应示意图

 

早在上世纪五十年代初人类就实现了聚变核反应,这就是氢弹的爆炸。它是依靠原子弹爆炸时形成的高温高压,使得热核燃料氘氚发生聚变反应,释放巨大的能量,形成强大的破坏力。但是氢弹瞬间的猛烈爆炸是无法控制的。要把聚变时释放出的巨大能量用于社会生产和人类生活,必须对剧烈的聚变核反应加以控制。因而实现受控热核聚变一直是科学家们的梦想。
实现受控热核聚变反应应满足两个苛刻条件:
第一,极高的温度
要使两个原子核发生聚变反应,必须使它们彼此靠得足够近,达到原子核内核子与核子之间核力的作用距离,此时核力才能将它们“粘合”成整体形成新的原子核。由于原子核都带正电,当两个原子核靠得越来越近时,它们之间的静电斥力也越来越大。静电斥力也称静电势垒,它像一座高山一样将两个轻核隔开。据实验资料估计,要使两个氘核相遇,它们的相对速度必须大于每秒1000公里。此时单个氘核具有巨大的动能,对于一团氘核整体而言,则具有极高的温度。两个氘核产生聚变反应时,温度必须高达一亿度。氘核与氚核间发生聚变反应时,温度也须达到五千万度以上。这种在极高温度下才能发生的聚变核反应也称热核反应。在如此高温下,物质已全部电离,形成高温等离子体。 
第二,充分的约束
充分的约束,指将高温等离子体维持相对足够长的时间,以便充分地发生聚变反应,释放出足够多的能量,使聚变反应释放的能量大于产生和加热等离子体本身所需的能量及其在此过程中损失的能量。这样,利用聚变反应释放出的能量就可以维持所需的极高温度,无需再从外界吸收能量,聚变反应就能够自持进行。表征这个概念的科学术语叫做“聚变点火”。要实现聚变点火,必须达到一定的约束时间。约束时间跟密度相关,密度大,单位时间里参加反应的原子核较多,释放的能量也较多,必要的约束时间相应较短。反之,约束时间必须较长。英国科学家劳逊在五十年代详细研究了实现聚变点火必须满足的条件(点火条件也称劳逊条件或劳逊判据),它是温度T和约束时间τ跟密度n乘积的函数。从对高温粒子的约束方式看目前有磁约束和惯性约束两种。
  

 

    实现“点火”仅是受控核聚变研究的第一步。受控核聚变研究的第二个目标是使输出的能量超过输入的能量,获得净聚变能。科学家们将第一个目标即实现“点火”称为验证科学可行性,第二个目标称为验证工程技术可行性。

 

 聚变电站示意图