【核聚变的条件】怎样达到核聚变?达到核聚变的条件是什么?

2020-04-12 - 核聚变

1.核聚变。经研究表明,有些轻核结合成中等 质量的核时,会发生比裂变更大的质量亏损,从而释放出更为巨大的核能。轻核结合成质量 原子核 较大的核,释放出核能的核反应称为核聚变 。由于核聚变是在高温高压下产生的,所以核聚变又叫热核反应。

核聚变的条件

2. 核聚变基本原理。两个氘核结合为一个氮核就是聚变通常,聚变反应不只合成一个核,它还会生 成其他粒子,例如,一个氘核和一氚核聚合成一个氦核,并放出一个中子,这个 聚变核反应方程为 H H→He n ,这个聚变反应释教176McV的能量,平均每个核子释放的能量在3MeV以上,比裂变反 应中每个枝子放出的能量大3-4倍。因此,在消耗相同质量的核燃料时,聚变比裂变释放更多的核能。

核聚变的条件

3.要使轻核发生聚变,必须使它们达到10^-15的近距离。由于原子核都带正电,要使它们接近到这种程度,必须克服它们之间巨大的静电斥力,为此,轻核必须获得足够的动能并处于很高密度下才能引起聚变。

核聚变的条件

4.怎样使轻核获得足够的动能呢?当物质达到几百万摄氏度以上的超高温时,聚变物质完全电离成等离子体。在高温,高密度等离子体中,剧烈的热运动使一部分轻核获得足够的动能而在碰撞中达到十分接近的距离,从而发生聚变,所以,聚变反应又称为热核反应。

5.氢弹的原理。在地球上,尽管核聚变的原料氢比核裂变的原料铀要丰富得多,但通常难以获得引发核聚变的超高温和超高压,唯一已实现并能释放大量核能的人为核聚变是氢弹爆炸。氢弹是通过原子弹爆炸所产生的高温、高压来引发氢核聚变的。

科学技术上尚未解决的一个重大问题,原因是要实现轻核聚变反应的条件比实现重核裂变的条件要困难得多。轻核聚变反应发生反应只能在极高的温度(>4000 0000℃)和足够大的碰撞几率条件下,才能大量发生。引爆氢弹极为困难,所以引爆需要在氢弹内部安放小型核弹,瞬间达到反应条件温度。

6.太阳上的核反应是受自身引力(压力)约束的自可控核聚变。太阳是产生稳定热核聚变的“天然聚变反应堆”,它能持续地“光芒四射”,例如太阳中的热核反应使它每秒钟辐射约3.8×10^26J的能量,地球只接受了其中二十亿分之左右,而这正是地球最基本的能量来源。

7.人工可控核聚变。可控核聚变俗称人造太阳,因为太阳的原理就是核聚变反应。(核聚变反应主要借助氢同位素。核聚变不会产生核裂变所出现的长期和高水平的核辐射,不产生核废料,当然也不产生温室气体,基本不污染环境)人们认识热核聚变是从氢弹爆炸开始的。科学家们希望发明一种装置,可以有效控制“氢弹爆炸”的过程,让能量持续稳定的输出。

8.人工可控核裂变的困难。早在1933年,核聚变的原理就被提出,但一直未实现。第一是作为反应体的混合气必须被加热到等离子态——也就是温度足够高到使得电子能脱离原子核的束缚,原子核能自由运动,这时才可能使得原子核发生直接接触,这个时候,需要大约10万摄氏度的温度。

第二是为了克服库仑力,也就是同样带正电荷的原子核之间的斥力,原子核需要以极快的速度运行,得到这个速度,最简单的方法就是——继续加温,使得布朗运动达到一个疯狂的水平,要使原子核达到这种运行状态,需要上亿摄氏度的温度。

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,产生了新的氦核和新的中子,释放出巨大的能量。经过一段时间,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。

这个过程只要氦原子核和中子被及时排除,新的氚和氘的混合气被输入到反应体,核聚变就能持续下去,产生的能量一小部分留在反应体内,维持链式反应,大部分可以输出,作为能源来使用。

看起来很简单是吧,只有一个问题,你把这个高达上亿摄氏度的反应体放在哪里呢?迄今为止,人类还没有造出任何能经受1万摄氏度的化学结构材料,更不要说上亿摄氏度了。这就是为什么一槌子买卖的氢弹已经制造了50年后,人类还没能有效的从核聚变中获取能量的唯一原因。

9.可控核聚研究进展。人类是很聪明的,不能用化学结构的方法解决问题,我们就用物理的试验一下。早在50年前,两种约束高温反应体的理论就产生了,一种是惯性约束。这一方法把几毫克的氘和氚的混合气体装入直径约几毫米的小球内,然后从外面均匀射入激光束或粒子束,球面内层因而向内挤压。

球内气体受到挤压,压力升高,温度也急剧升高,当温度达到需要的点火温度时,球内气体发生爆炸,产生大量热能。这样的爆炸每秒钟发生三四次,并持续不断地进行下去,释放出的能量就可以达到百万千瓦级的水平。

这一理论的奠基人之一就是我国著名科学家王淦昌。另一种就是磁力约束,由于原子核是带正电的,那么我的磁场只要足够强大,你就跑不出去,我建立一个环形的磁场,那么你就只能沿着磁力线的方向,沿着螺旋形运动,跑不出我的范围,而在环形磁场之外的一点距离,我可以建立一个大型的换热装置(此时反应体的能量只能以热辐射的方式传到换热体),然后再使用人类已经很熟悉的方法,把热能转换成电能就是了。

苏联科学家塔姆和萨哈罗夫提出的这种方法相对于惯性约束,世界受控核聚变研究,主要集中在这个领域上。

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