核聚变.doc

1、物 理 原 因物 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 核 聚 变 反 应 堆 工 作 原 理重 的 原 子 ， 有 92 个

2、 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

3、 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

4、 ， 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 国 际 热 核 聚 变 实 验 反 应 堆 示 意 图大 ， 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

5、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

6、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

7、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

8、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 。 最 终 目 标利 用 核 能 的 最 终 目 标 是 要 实 现 受 控 核 聚 变 。 裂 变 时 靠 原 子 核 分 裂 而 释 出能

9、量 核 聚 变 反 应 堆。 聚 变 时 则 由 较 轻 的 原 子 核 聚 合 成 较 重 的 较 重 的 原 子 核 而 释 出 能 量 。 最 常 见的 是 由 氢 的 同 位 素 氘 （ 读 “刀 “， 又 叫 重 氢 ） 和 氚 （ 读 “川 “， 又 叫 超 重 氢 ）聚 合 成 较 重 的 原 子 核 如 氦 而 释 出 能 量 。 主 要 优 点核 聚 变 反 应 模 拟 实 验核 聚 变 较 之 核 裂 变 有 两 个 重 大 优 点 。 一 是 地 球 上 蕴 藏 的 核 聚 变 能 远 比 核裂 变 能 丰 富 得 多 。 据 测 算 ， 每 升 海 水 中 含 有 0.

10、03 克 氘 ， 所 以 地 球 上 仅 在 海水 中 就 有 45 万 亿 吨 氘 。 1 升 海 水 中 所 含 的 氘 ， 经 过 核 聚 变 可 提 供 相 当 于300 升 汽 油 燃 烧 后 释 放 出 的 能 量 。 地 球 上 蕴 藏 的 核 聚 变 能 约 为 蕴 藏 的 可 进 行核 裂 变 元 素 所 能 释 出 的 全 部 核 裂 变 能 的 1000 万 倍 ， 可 以 说 是 取 之 不 竭 的 能源 。 至 于 氚 ， 虽 然 自 然 界 中 不 存 在 ， 但 靠 中 子 同 锂 作 用 可 以 产 生 ， 而 海 水 中也 含 有 大 量 锂 。 第 二 个

11、优 点 是 既 干 净 又 安 全 。 因 为 它 不 会 产 生 污 染 环 境 的 放 射 性 物 质 ，所 以 是 干 净 的 。 同 时 受 控 核 聚 变 反 应 可 在 稀 薄 的 气 体 中 持 续 地 稳 定 进 行 ， 所以 是 安 全 的 。 核 聚 变 反 应 堆 设 备 设 计 稿目 前 实 现 核 聚 变 已 有 不 少 方 法 。 最 早 的 著 名 方 法 是 “托 卡 马 克 “型 磁 场 约 束法 。 它 是 利 用 通 过 强 大 电 流 所 产 生 的 强 大 磁 场 ， 把 等 离 子 体 约 束 在 很 小 范 围内 以 实 现 上 述 三 个 条 件

12、 。 虽 然 在 实 验 室 条 件 下 已 接 近 成 功 ， 但 要 达 到 工 业 应用 还 差 得 远 。 按 照 目 前 技 术 水 平 ， 要 建 立 托 卡 马 克 型 核 聚 变 装 置 ， 需 要 几 千亿 美 元 。 惯 性 约 束另 一 种 实 现 核 聚 变 的 方 法 是 惯 性 约 束 法 。 惯 性 约 束 核 聚 变 是 把 几 毫 克 的氘 和 氚 的 混 合 气 体 或 固 体 ， 装 入 直 径 约 几 毫 米 的 小 球 内 。 从 外 面 均 匀 射 入 激光 束 或 粒 子 束 ， 球 面 因 吸 收 能 量 而 向 外 蒸 发 ， 受 它 的 反

13、作 用 ， 球 面 内 层 向 内挤 压 （ 反 作 用 力 是 一 种 惯 性 力 ， 靠 它 使 气 体 约 束 ， 所 以 称 为 惯 性 约 束 ） ， 就像 喷 气 飞 机 气 体 往 后 喷 而 推 动 飞 机 前 飞 一 样 ， 小 球 内 气 体 受 挤 压 而 压 力 升 高 ，并 伴 随 着 温 度 的 急 剧 升 高 。 当 温 度 达 到 所 需 要 的 点 火 温 度 （ 大 概 需 要 几 十 亿度 ） 时 ， 小 球 内 气 体 便 发 生 爆 炸 ， 并 产 生 大 量 热 能 。 这 种 爆 炸 过 程 时 间 很 短 ，只 有 几 个 皮 秒 （ 1 皮 等

14、 于 1 万 亿 分 之 一 ） 。 如 每 秒 钟 发 生 三 四 次 这 样 的 爆 炸并 且 连 续 不 断 地 进 行 下 去 ， 所 释 放 出 的 能 量 就 相 当 于 百 万 千 瓦 级 的 发 电 站 。 所 需 燃 料氘核 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 -

15、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 磁 约 束 核 聚 变 反 应 堆点 火 温 度 反 倒 低 得

16、多 ， 很 适 合 人 类 现 有 条 件 下 的 利 用 。 氚而 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或 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

17、 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

18、 ， 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 。