核聚变 高温等离子体应用

第四章:核聚变高温等离子体应用核能氢弹-无控核聚变受控核反应堆核聚变优点,原理等离子体中的电流磁控的概念不稳定性惯性约束的概念可能性及世界合作/sundae_meng核能是20世纪人类的一项伟大发现.1938年德国科学家用中子轰击铀原子核,首先发现核裂变现象.核裂变链式反应:当中子撞击铀原子核,一个铀原子核吸收一个中子而分裂成两个较轻的原子核,同时发生质能转换,放出能量.并产生2-3个中子.核聚变:从太阳能源获得启发.用氢的同位素:氘和氚的聚合反应生成氦核并放出一个高能中子.质能转换放出更大能量.1919年首先证实了轻元素以足够大能量碰撞引起核反应现象.核能(原子能):是在原子核发生变化的过程中释放出来的能量.太阳能:就是原子核发生变化,在高温,高密度气体完全电离的等离子体条件下,轻原子核聚合成较重原子核而释放的能量,即氢原子=>氦原子.称为核聚变.爱因斯坦的质能守恒公式(非相对论)E=MC²从理论上解决了质量和能量转换关系./sundae_meng原子及原子核:高中物理的内容.原子由原子核及围绕其运动的电子组成.原子核带正电,电子带负电荷.电子按一定轨道围绕原子核运动.正点荷与负电荷相等,原子不带电.原子核通常由质子和中子组成.化学元素表按质子数排序.质子带正电,中子不带电,质量相同.一个质子就是一个氢原子核.如铝的原子核内,包括13个质子,14个中子,它的质量数是27.电子数13.电子按一定层次排列./sundae_meng原子核的结合能:原子核的半径很小,质子带正电荷.同类电荷粒子的库仑斥力很大.

但通常原子核是稳定的.什么原因使核子结合在一起成为原子核?答案:除了库仑斥力外,还有另一种更强的力把各核子紧拉在一起.称之为

核力。正在研究中。 核力只在很小距离内起作用,超过距离很快减小到0.质子和中子的半 径约0.8×１０‾１５

米，每个核子只跟它相邻的核子间才有核力的作用。结合能：要把原子核拆散成核子，需要克服核力做功。即需要巨大能量。而相反的过程－再结合过程，则放出巨大能量。定义：核子结合成原子核时要放出一定的能量，原子核分解成核子 （质子或中子）时克服核力要吸收同样多的能量，这个能量叫 做原子的结合能。

核子在结合成原子核时,由于有核力的作用,必须释放一定能量∴原子 核的质量跟组成它的核子的质量比要小一些./sundae_meng原子核结合能与组成该原子核的核子数之比称为原子核核子的平均结合能---即一般说的核能(原子能).核子=质子和中子的统称.核子在结合成原子核时由于有强大的核力作用,必须释放一定能量,所以原子核质量要小一些.规律:原子核核子的平均结合能随原子质量数而变.质量数较小的轻核(如氢)及质量数较大重核(如铀)其核子平均结合能均较小..质量数中等的核子平均结合能大,即结合成较中等质量数的原子核时放出较大能量.裂变---将重核裂变为质量数中等的原子核.聚变---将轻核聚变成质量数较中等的原子核,都释放核能.轻核的核子平均结合能更小些(曲线下降快).∴当由轻核聚变成较重原子核时,释放能量更大./sundae_meng不可控核聚变:氢弹

20世纪初发现原子核中蕴藏巨大能量.第一代不可控核聚变:氢弹

20世纪初发现原子核中蕴藏巨大能量.第一代核武器—原子弹(核裂变链式反应)不可控核聚变:氢弹

20世纪初发现原子核中蕴藏巨大能量.第一代核武器—原子弹(核裂变链式反应) Pu239,U235,在热中子轰击 下分裂,并放出中子.氢弹:第二代核武器,核聚变,热核反应,数千万度高温和超高压下实现.用小型原子弹引爆.

氘,氚,氘化锂为核装药.单位质量释放的能量一般为裂变反应4倍以上.

中子打在锂上会产生氚,和氘反应产生氚 和中子.

氢弹制成说明可以人工产生核聚变.但不 可控.爆炸释放能量.危害人类,国际上 现不再做试验.为何叫氢弹?原子核愈轻,所带电荷愈少,产生聚变反应所需能量愈低,故采用氢的同位素.普通炸药引爆,装药为两块,均小于临界质量.引爆时,被推挤到一起.大于临界质量.产生链式反应。百分之几秒./sundae_meng中子弹:小型氢弹.氘氚混合物.外壳用铍和铍合金,高能中子可逸出.大量高能中子辐射.

穿透作用强,可穿透坦克,砖墙.

利用核聚变,产生大量高能中子.放射性污染较低,可制成炮弹或导弹头.凡是核武器都有核辐射,冲击波,光辐射,放射性污染和电磁脉冲等杀伤力.各自比例不同:

原子弹 :冲击波+光辐射85% 1945年8月5号,美国投到日本两个小城市广岛,长崎的原子弹,

当量很小,～2—3万吨黄色炸药.在上空500米的高度爆炸.闪 光照亮整个日本岛.原子弹的蘑菇云几万英尺高.

氢弹:冲击波+光辐射65% 1957年第一颗氢弹(美),1961年10月世界上最大一次核爆炸 (苏联).核污染范围达4000公里,苏军整个通讯失去联系一个多 小时.产生的电磁扰动3次传遍全球.不再进行核爆炸试验.∵

氢弹的使用带来的将是世界末日.

中子弹:核辐射+电磁脉冲70% 1千吨梯恩梯当量的中子弹,在距地面90米的低空爆炸,其冲 击波,光辐射和放射性污染在周围180米以内.而快中子流及 中子流贯穿辐射,与周围介质的原子作用产生的电磁脉冲的杀 伤半径达800米./sundae_meng核反应堆作为能源的必要性:核能的和平利用

1kg煤=>3千瓦小时电.

油=>4千瓦小时

1kg铀=>7乘10^6千瓦小时.无燃烧,故无大气污染及大气温室效应.是人类持续发展的必要.

裂变堆:种类繁多.目前进展---重水堆,快中子堆.

重水堆；可使用普通铀,用重水作为慢化剂,减慢中子速度,不吸收中子.铀238可转化成钚239.重水：D2O.氘化水。

核燃料利用率高。目前,90%能源来自石化燃料,导致严重污染.如温室效应;剧烈天气变化,酸雨;水污染;臭氧层空洞;…且消耗宝贵,十分有限资源./sundae_meng核聚变反应放出能量远非这些石化燃料能比拟,高100万倍以上.核裂变反应堆: 中国已建(例)；秦山核电站三期与加拿大合作,重水堆.已并网发电;江苏连云港田湾,双层壳,已商业运行;深圳大亚湾,引进外资,压力堆,94年商业运行,70%供给香港.1971年我国第一艘核潜艇建成下水.

中法合资台山核电站压水堆.2007年签约.到2002年底,全世界有441台核电机组在运行,生产电力占世界总发电量17%./sundae_meng裂变堆:(非等离子体)1.原料.

自然界中能直接用于核燃料的只有U235,铀矿中

0.7%

钍232有放射性,在地壳中含量约6%,印度较多,易提炼，在受到中子冲击后=>U233,可作为核燃料。开发阶段.

2.裂变条件.中子轰击.裂变时放出中子=>链式反应.

3.可控方法:中子减速.慢化剂.调节中子速度,数量.

4.问题:辐射污染,原料有限.一般的反应堆,99%燃料剩下.(铀238为主).

/sundae_meng快中子增殖反应堆:

铀235+慢中子=>裂变+快中子铀238+快中子=>钚239

钚239+快中子=>裂变 在开发试验中.最早美国.

可几乎100%利用铀资源.总效率可达60-70%中国与俄罗斯合作.计划2010年并网发电.2010年5月,日本重启14年前因核泄漏事故停运行的快中子增殖反应堆.并宣布将与法国,美国合作开发快中子增殖反应堆./sundae_meng核聚变核聚变堆:(等离子体)---氘氚聚变反应能量巨大,来源丰富;干净无污染;

安全可靠;廉价经济.远期计划.进展:欧洲环形核聚变实验,磁控反应堆.持续时间2分钟,核心温度3亿度,比太阳内部温度高20倍.2009年激光输出功率已达到足以点燃核聚变

(惯性约束聚变)1991年11月欧洲1.8秒钟核反应,激光功率达100万亿瓦./sundae_meng核聚变反应堆:

原料:氘在海水中藏量丰富,>40万亿吨.氚靠中子同锂作用产生.锂藏量丰富(陆地海水).安全:一旦某环节出问题,温度下降,自动中止.产物:氦,无害.不产生裂变电站长寿命高放射性废物.聚变反应产生的高能中子有 广泛用途,产生氚及裂变用燃料;处理长寿命高放废物.聚变原理:第一步:使燃料处于等离子体状态,充分电离,温度足够高,电子逸出,原子核才可能克服斥力聚合在一起.如果同时有足够密度,及足够长的热能约束时间,聚变反应就可稳定,持续运行.目前两种研究方案:磁约束;惯性约束.

1.磁约束:利用强磁场可以约束带电粒子的特性.

2.惯性约束:依靠物质的惯性将等离子体约束住,使核心处温度,压力骤升 产生聚变.在不稳定的等离子体中实现核聚变.

氢弹也属于惯性约束聚变.但不可控.用原子弹所产生的高温高压 使氢弹中的聚变燃料挤压在一起,在飞散之前产生大量聚变./sundae_meng同位素:指质子数,电子数均相同,但中子数不同的同一类原子.氘—无放射性,氢的同位素.其原子核:1个质子+1个中子氚---有放射性(半衰期~10年).但自然界无.用中子轰击锂产生.1个质子+2个中子氘原子+氚原子=﹥氦4原子(2个质子+2个中子)+1个中子(高能).D+T4He+n为何用氘+氚,不是两个氘原子聚合?回答:

因为氘与氚的聚合反应最容易实现.实现核聚变条件:高温:要使所有电子都从原子中跑出.完全等离子体态.上亿度.高压:将原子挤在一起,原子之间距离在10‾¹⁵米内.反应速率是温度函数,在温度达数亿度时有最大值./sundae_meng劳森判据:自行维持反应系统的条件.所供能量使燃料达到点火温度,且具有实用性,必须使热核反应放出的能量至少要和加热燃料的能量相当.为达到这一目的,须保证核燃料有足够的密度,同时,由于等离子体不易稳定,须设法延长等离子体存在时间.也就是说,密度n增加,碰撞机会多,反应更充分,而稳定时间长,反应才可能充分.∴n(离子数密度)

×Ƭ(稳定时间)

≧常数.˥温度≈１０↑8°K,上亿度

˩称为劳森判据.对氘-氘反应,如用n表示每立方厘米的离子密度，时间Ƭ以秒为单位，此常数为5×10¹⁵.

对氘-氚反应而言,此常数为2×10↑１４.即:如果n为１０↑１４,则稳定时间至少需要２秒钟./sundae_meng磁约束核聚变堆原理图:磁场对等离子体作用:一些基本概念

1.带电粒子在磁场中的运动 匀稳磁场;

非均匀磁场;

2.带电粒子流所产生磁场

3.等离子体的不稳定性环形托卡马克聚变堆进展;

欧,美磁约束核聚变装置使用氘氚混合燃料获得过上亿度的等离子体且获得上万千瓦输出.

我国目前拥有两台实验装置;合肥,

全超导非圆截面托卡马克,已两次成功放电.成都,中国环流器2号,2006年获得等离子体电子温度

5500万度./sundae_meng均匀磁场中:带电粒子绕磁力线作螺旋运动.沿B方向V不变,dV平行/dt=0.(或等于常数）。洛仑兹力与V垂直垂直,不做功.回旋半径–圆周半径.运动方程：mV⊥²/r=qV⊥Bo沿垂直方向粒子动能=½mv²=常数

r=mv⊥/qBo半径随磁场强度变小。非均匀磁场:

磁场强处回旋半径小,弱处回旋 半径大=>有回折的震荡曲线.每 一次粒子在弱磁场经历的时间,路程 长.=>被推向磁场较弱处.另外产生 横向漂移从而影响等离子体稳定性./sundae_meng带电粒子流产生的磁场:

带电粒子运动会产生磁场.见图: q为一带正电粒子沿Z向运动,产 生的磁场沿圆柱坐标切向.如果 另一同号电荷粒子也沿Z向运动.

它将受到指向Z轴的洛仑兹力,而 原粒子也将受到此粒子的磁场作 用力.两个带电粒子的磁相互作 用使它们一起被压缩.等离子体中有电流流过时产生的磁场:

图中一个通有纵向电流的等离子 体圆柱,内外均有磁场.圆柱体内 运动的正负电荷粒子与磁场作用 使粒子都向中心靠,起了磁压缩的 作用.如果此压缩力足以克服等离 子体热运动的压力,柱将变细.称为 等离子体自磁压缩.(pinch)

/sundae_meng磁约束:磁镜效应：

首先，看一个带电粒子以任意角度进入磁场：a)磁场中粒子的轨道b)磁镜场中粒子的漂移

ȹ角为粒子入射角.

在两端放置两个环形线圈可形成这样的磁场:中间磁场弱,两端强.我们分析带电粒子在磁场中的运动.观察三点位置:P⒈P⒉P⒊下带电粒子所受到的力。(洛伦兹力)/sundae_meng假设一带正电的粒子以垂直于纸面向里的速度v进入，在P1点处，由于B的轴向分量，使带电粒子作圆周运动。此处的磁场B还有一个不大的径向分量，它使带电粒子受到一指向右边的力，从而使带电粒子边回旋边向右面移动，进入较弱磁场区。P2点位置，由于这里磁场较弱，回旋半径增大，磁场B没有径向分量，粒子不再获得向右加速，但由于粒子具有向右的速度，它能继续向右运动，从而进入右边较强的磁场区。在右端磁场区，带电粒子受到轴向和径向磁场作用，但径向分量与前相反，所以粒子受到的轴向磁场力方向向左。所以，粒子总是受到指向磁场 减弱方向的轴向力，称为

磁镜效应。使带电粒子在磁 镜之间来回震荡。/sundae_meng磁镜约束:例：地球磁场是一个天然的磁约束捕获器，它使来的宇宙射线和太阳风中的带电粒子在南北极之间震荡。形成范阿仑辐射带。两端磁力线强,中间弱，形成磁瓶，约束粒子。为防粒子从一定角度逃逸，磁约束聚变堆设计成环形。/sundae_meng不稳定性:等离子体受到自身电流产生的磁场作用下引起收缩,称箍缩效应.箍缩效应产生压强与粒子热运动平衡.不稳定因素如: a)扭曲不稳定:

小小弯曲=>凹侧磁场>凸侧磁场=>更弯

b)腊肠不稳定:

粗细略有不均匀=>进一步变细.由于这些不稳定因素,人造等离子体常在极短时间内就分崩离析./sundae_mengToroidalFieldCoilPoloidalFieldCoil磁约束是利用强磁场约束带电粒子.变压器原边合上开关后,通过电磁感应,副边产生高压,击穿而电离从而产生等离子体.本身电流加热,且能约束等离子体.除了本身电流加热外,还有各种辅助加热手段.磁场愈强,带电粒子回旋半径愈小,所以,强磁场能约束带电粒子的运动.极向场线圈环形线圈垂直方向磁场水平方向磁场结合成螺旋方向的总磁场此图来源:PrincetonPlasmaPhysicsLab/sundae_meng环形线圈---环状磁瓶

希望带电粒子无休止地绕磁力线运动,但达到稳定的约束很难.因为 磁力线在内侧强,外侧弱.会把粒子推向外侧壁从而失去约束.环形箍缩装置 原理:电流通过等离子体时,产生的磁场对等离子体有箍缩效应. +变压器原理 见图.原线圈通过一开关与一组高压电容器相连.环形反应室作为变压器的副线圈.

反应室里充入等离子体核燃料.合上开关,充了电的电容向原线圈放电,产生强脉冲 电流,同时反应室内的等离子体中感应出更强大的电流.这个电流将对等离子体自身 产生箍缩压力,从而使等离子体被约束在一个环内.

同时,由于强大的电流通过等离子体起了加热的作用,使温度上升.

等离子体受箍缩变细,但不稳定,磁场分布也不均匀.两者结合,即在环形箍缩装置中的环形反应器外面绕上线圈,并通以电流.

它产生轴向磁场B1.等离子体中的感应电流则产生圈向的磁场B2.见图.

叠加后形成总磁场B.

理论和实验均证明约束效果好。带电粒子几乎可以无休止地在反应室内绕磁力线 旋进，由于磁力线呈螺旋形，在绕环形管一周后并不自相闭合，∴粒子一会到 环管内侧，一会到外侧，不会由于磁场不均匀而电荷分离。 这种磁约束结构相对较简单，较易制造。

/sundae_meng︱B1B2原边变压器副边/sundae_meng/sundae_meng圖：ITER核融合實驗裝置的示意圖，以一個二米的人形來顯示其大小。(此圖是由PrincetonPlasmaPhysicsLaboratory提供。)主要组件：真空室环形,外面套环形磁场线圈.等离子体腔室.

磁场线圈.变压器为磁场线圈供电.超导磁体.

冷却设备—冷却磁体.

包层模块,锂,吸收热能和高能中子.

收集器收集氦产品.

水冷回路,将热量经热交换器形成蒸汽,蒸汽驱动电涡轮发电,

形成的水进入热交换器./sundae_meng惯性约束聚变---依靠物质的惯性约束等离子体.依靠粒子束(激光束,或电子束,离子束)加热氘氚靶丸(约1mm左右)由于粒子的惯性,在尚未严重飞散之前,完成适度的核聚变.现代激光技术能产生聚焦良好的,能量巨大的脉冲光束,多路高强脉冲激光束对称地集射到靶上,靶表面消融为高温等离子体,高速向外喷射.其反冲力挤压靶心靶心温度,密度急剧升高,而产生聚变.

在十亿分之几秒时间里,激光被靶丸吸收,周围形成几千万°C度的高温等离子体,大部分外层向外喷射,其反冲力形成聚心冲击波,使靶心千百倍压缩并产生上亿度高温,依靠聚心压缩的惯性,靶心在尚未分散前发生聚变.

类似于氢弹引爆,用原子弹所产生的高温,高压使氢弹中的聚变燃料挤压在一起在飞散之前发生聚变.但是要求有节奏地引爆一个个微型”氢弹”,从而得到连续的能量供应./sundae_meng原理图:惯性约束聚变四个阶段激光辐照,

形成一个等离子体烧蚀层内爆压缩

靶丸表面热物质喷发,反向压缩.聚变点火

通过向心聚爆过程,达到高温,高密度状态.聚变燃烧

热核燃烧在被压缩燃料内部蔓延

******左图:柱形黑腔间接驱动靶示意图间接驱动:高功率激光束(或离子束)穿过小孔入靶室内壁吸收后放出X射线，并迅速充满腔室形成强光压，压缩靶中心的小球。照射均匀性要求较低，但需更强激光。/sundae_meng1974年美国的KMS公司首先使用激光驱动向心聚爆方法,测到聚变反应产生的中子.2010年初，美国国家实验室使用192束激光完成首次可控核聚变实验。研究人员表示，他们能为实现自持核聚变反应提供点火所需条件。2010年10月进行了亚临界核爆试验，192束激光，1MJ此装置可用于１.模拟核爆炸，研究核武器性能２.模拟超新星，黑洞边界，恒星内核环境。３.借助它来制造类似太阳内部的聚变反应。激光能量在黑体辐射腔内转换成X射线轰击靶件。在激光束进入黑体辐射腔的地方增加高温低密度等离子体，是出现等离子体光栅的关键，利用激光与等离子体的相互作用调节激光束的能量分布。等离子体光栅如同小型棱镜，改变了部分激光能量的方向。两种聚变共同点：都要求高达一亿度的反应温度。不同：惯性核聚变等离子体密度极高10↑26/cm³,约束时间纳秒级，10↑(-9)S

与氢弹热核反应条件相似。 磁约束：密度n低得多，10¹⁵/cm³,约束时间须长达秒的量级。未来可能的驱动源：KrF激光，离子束，（特别是能从电子束二极管稍加改变 可获得轻离子束）。/sundae_meng/sundae_meng原理:在适当条件下,利用电子碰撞激发和能量转移激发等,气体分子有选择地被激发到某高能