登陆注册
199900000086

第86章 聚变原理

第八章第十节聚变原理

当两个轻原子核结合成一个较重的原子核时,也会释放能量。我们称这种结合为聚变,

放出的能量称为聚变能。在人工控制下的聚变为受控聚变;在受控聚变的情况下释放能量的

装置,称为聚变反应堆或聚变堆。

在氢的同位素中,氘和氚之间的聚变最容易,所以人们一般将氘和氚称为聚变核燃料。

 聚变能源与裂变能源

铀-235等重原子核裂变时,会产生200多种放射性同位素。虽然大部分同位素半衰期短

,可以在很短时间内衰变,但仍有一些,主要是锕系元素的半衰期长,会对人类造成几百万

年的危害。除了放射性外,裂变堆的核燃料及裂变产物如钚等,还有很强的化学毒性。我们

说裂变堆很清洁,是由于它层层设防,对放射性物质采取了严格的隔离措施。而氘、氚等聚

变反应中产生的氦,是没有放射性的。如果我们不在聚变堆中加入铀、钍等裂变材料,那么

聚变堆产生的放射性废物,主要是泄漏的氚,以及聚变时释放的中子、质子。聚变堆产生的

放射性,比裂变堆少得多。聚变堆由于活化产生的放射性废物主要是固体。而裂变堆产生的

放射性废物,加上裂变堆核燃料后处理过程中生成的废物,不少是气体和液体。气体或液体

放射性废物的处理,比固体困难些。

裂变堆如果冷却剂的循环遭到破坏,即使反应堆停堆,由于放射性衰变的余热得不到冷却,

堆芯温度还会上升,使燃料元件烧毁,造成放射性物质外逸。美国三里岛核电站的事故,就

是这么造成的。聚变堆没有余热,即使冷却剂丧失,也不可能出现三里岛那样的事故。

目前主要有磁约束、惯性约束和μ介子催化等途径可以实现聚变。经过半个多世纪的努力,

虽然有些途径已显示出胜利的曙光,但要发展到实用阶段,还有一段艰难的道路。

受控聚变的研究之所以如此艰难,一个根本的原因,是由于所有原子核都带正电,核力是一

种短程力,2个带正电的原子核互相接近时,它们之间的静电斥力也越来越大。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,核力才能起作用。这时由于核力大于

静电斥力,2个原子核才能聚合到一起,放出巨大的能量。由于2个原子核聚合前首先要克服

强大的静电斥力,所以在地球上现有的条件下,很难发生聚变。为了实现铀-235、钚-239

等的裂变,不需要入射中子及靶原子核具有任何动能;而为了使2个原子核聚变,首先必须

使两个原子核的一方或双方有足够的能量,去克服彼此之间的静电斥力。这就是全部症结之

所在。

 聚变能量释放的因素

当等离子体达到一定的温度,由于原子核运动速度的增加,会使它们在相互碰撞时,克服彼

此间的静电斥力而聚变。很显然,对于在一定的温度条件下,在一定的时间内,原子核之间

互相碰撞的次数,与等离子体中原子核的密度成正比;而在一定密度的情况下,原子核之间

互相碰撞的次数,与等离子体中保持这种密度的时间,即约束时间成正比。因此聚变反应中

能量的释放,与等离子体的温度,以及原子核密度和约束时间的乘积有关。

20世纪50年代末以来,在科学家们提出磁约束的概念后,由于氢弹的迅速成功及聚变研究的

顺利进展,使不少国家的核科学家,对受控聚变抱过分乐观的态度。对受控聚变及快堆

的过分乐观的估计,曾使英、前苏联、美等国的民用核动力计划,受到一定影响;使这些国

家将未来能源的希望,过早地寄托在科学家的设想上。

这种过分的乐观,很快被一种悲观的情绪代替。科学家们发现,约束等离子体的磁场

,虽然不怕高温烈火烧,但很不稳定。磁场和等离子体之间的边界会逐渐模糊,等离子体会

从磁笼里钻出去,而且约束等离子体的磁场一旦出现变形,有一种正反馈作用使这种变形

加剧,造成磁笼断开或等离子体碰到聚变反应室的金属内壁上。另外,等离子体在加热过程

中能量也不断损失。由于粒子间的碰撞,等离子体的粒子会一步一步地横越磁力线,携

带能量逃逸;同时,高温等离子体会辐射出电磁波而损失能量。当等离子体含有质子数高的

杂质时,这种辐射损失会急剧增加。根据不同的辐射机理,辐射损失分别与杂质原子核内质

子数的平方、四次方、六次方成正比。

经过几十年的努力,人们才正确了解影响磁约束及造成能量损失的各种机理,摸索出克

服这种不稳定性及能量损失的对策。20世纪60年代末期以来,科学家在克服磁场不稳定性及

能量损失方面所取得的进展,使人们对受控聚变的信心增强了。

 聚爆理论

1972年,美国学者尼库尔斯等人公布了聚爆理论。根据这一理论,激光除了使靶丸加热外

,还使靶芯压缩,可以成千倍地增加靶芯密度;由于压缩引起的密度的提高,为使聚变达到

可以实用的规模,只需几万焦耳以上的能量就够了。聚爆理论增强了科学家们的信心,吹响

了向激光聚变点火进军的号角。从此以后,以点火为目标的激光聚变研究就开展了。

根据聚爆理论,为使激光聚变达到点火条件,并产生有益的能量输出,除了要提高激光

的能量外,还要求精确控制激光的照射方式。在激光照射的开始阶段,要求激光的功率小一

些,以便靶丸表面逐渐气化,形成一层与地球的大气层类似的冕区,使激光的能量能够均匀

地传输到靶丸的表面。然后再通过一次比一次强的激光照射,产生一个比一个快的聚心冲击

波,并使这些冲击波能同时达到点火所要求的靶丸半径处。因此在一个1毫米左右直径的氘

、氚小丸上,在以十亿分之几秒计的过程中,一共包括冕区形成、表层喷射、多次聚心压缩

和芯部点火4个阶段。这4个阶段要求在时间上有精确的衔接,在空间上有精确的同步,这需

要何等高超的技术和工艺啊!

经过10多年的努力,激光聚变已取得了明显的进展。1987年,我国上海光学精密机械研究所

,建成能量1 000焦的“神光”激光装置。如果这1 000焦的能量是1秒内产生的,则只有1 0

00瓦的功率。但神光装置的发光时间不到十亿分之一秒,因此功率达十亿千瓦以上,比198

9年中国全部发电厂的总功率大9倍以上。利用它轰击01毫米直径的氘氚小球,小球的温度

可达1 000万℃以上,并形成1 000万个大气压的向心压力,使小球产生了聚变反应。

在此之前,1980年,美国在“希瓦”激光聚变装置上,已使靶材压缩100倍,聚变反应释放

的能量,超过了输入的激光的能量的1%,取得了令人鼓舞的成绩。美国为实现激光聚变点火

而设计的“诺瓦”装置,能量可达10万焦,1979年5月14日开始建造,1986年1月建成并开始

调试和实验。

同类推荐
  • 影响中国学生的经典成语故事之七

    影响中国学生的经典成语故事之七

    成语是语言中经过长期使用、锤炼而形成的固定短语,它是比词的含义更丰富而语法功能又相当于词的语言单位,而且富有深刻的思想内涵,简短精辟易记易用。并常常附带有感情色彩,包括贬义和褒义,当然,也有中性的。“影响中国学生的经典成语故事”汇集了众多的成语,详细地讲解了其释义及相关出处,使读者在增长知识的基础上、享受阅读带来的乐趣。
  • 青少年植物常识必读(青少年必读常识)

    青少年植物常识必读(青少年必读常识)

    每一朵花,都是一个春天,盛开馥郁芬芳;每一粒沙,都是一个世界,搭建小小天堂;每一颗心,都是一盏灯光,把地球村点亮!借助图书为你的生活添一丝色彩。这是一套包罗生活万象的、有趣的书,向读者介绍了不可不知的中的常识。包括文学常识、地理常识、历史常识、安全常识、文化常识、动物常识、植物常识、科技常识、天文常识、生活常识等。这些都是一些生活常识性的问题,说大不大,说小不小,因为零散,平时想了解又难以查找,我们将这些你们可能感兴趣的、富有趣味的日常生活中日积月累的宝贵经验搜集并编辑成册,以便您在遇到问题时随时查询,轻松解决生活中的问题。
  • 小熊维尼

    小熊维尼

    他经常自嘲“没脑子”,却总是主意新奇;他最喜欢贪吃蜂蜜,却也时刻关注朋友所需;他时不时犯点小傻,可伙伴们还是喜欢他;他已经86岁“高龄”,却依然活跃在全世界小朋友的心里。他是谁?他就是小熊维尼。
  • 出语惊人

    出语惊人

    面对形形色色的难题和困境,开动脑筋,运用智慧,往往就能找出答案,想出对策。“先有故事,后有智慧”。智慧故事是青少年不可不读的经典之作。故事,是通往智慧殿堂的使者,引领我们透过一扇扇明亮的窗口,引领你走向人生的辉煌。故事,是连缀智慧的闪亮珠玑,折射出哲人思想的光辉,照耀着你的人生成功之旅。一个故事就是智慧长河中的一朵涟漪,也许它不能改变这条河流的方向,但它会以自身的灵性让你在阳光的滋养中聆听智慧流过的声音,早日抵达你人生的巅峰。轻松阅读精彩的故事,聆听哲人的忠告,让智者的思想浸润我们。
  • 昆虫记(世界文学名著典藏)

    昆虫记(世界文学名著典藏)

    本书不仅是一部研究昆虫的科学巨著,同时也是一部讴歌自然与生命的宏伟诗篇。因此,《昆虫记》被誉为“昆虫的史诗”,法布尔也由此获得了“科学诗人”、“昆虫荷马”、“昆虫世界的维吉尔”等桂冠。
热门推荐
  • 穿越之绝色倾妃

    穿越之绝色倾妃

    她宋子然,一个出色的钢琴演奏家。金色的维也纳音乐厅里,坐着来自各国的音乐奇才和前辈,当宋子然这个东方少女走进大厅的时候,整个大厅一片肃静,这样古典纤雅的少女注定是属于这个舞台的,她终将成为东方最亮丽的一颗明珠,18岁就到达了艺术的巅峰。她冷倾瑶,大燕公主丑疤遮面,暴虐成性,公主宫内每年死伤无数。宫中公公丫鬟盛传,去公主宫内当差,不如直接让奴才了断。一个古典纤雅,东方最亮丽的一颗明珠。一个暴虐成性,荒淫无度,人神共愤。宋子然和冷倾瑶因缘际会重合在一起,用的是宋子然的灵魂,冷倾瑶的躯体,是宋子然的重生还是冷倾瑶的重生?初见夏越天,冷倾瑶的心又有了温度,是老天给我的又一次机会吗?我爱原烈,生生世世,上天给我一次重生的机会,带着前世记忆而来的宋子然,遇见了和前世情人长的一模一样的南丰君主夏越天,最后,是她征服了他,还是他征服了她?广告区:《穿越之寻爱千年》是妹妹子期(夏闪星)和大燕国皇帝冷情风的故事。《穿越之绝色倾妃》是姐姐子然(冷倾瑶)和南丰国皇帝夏越天的故事。妹妹子期篇已经写完,两文为姐妹篇,敬请支持。推荐自己的新文:《庶女棋后》魔幻生死棋,两大棋王家族各执一半棋谱,白玉象棋,杀机无限,王侯将相,无不谈之色变,谁能拥有整本棋谱,谁能号令天下,天下无敌……她们本没有任何交集她,人称草包美人,天下两大棋王世家之一洛家庶女,在棋艺精湛的棋王世家中,是个标准的草包,亦是个标准的受气包。她,二十一世纪的巨富之女,本应该衣食无忧,尽享荣华,不料亲姐姐心生异心,一夜之间,公主变乞丐,以在街头摆残局为生,人称残局皇后。当残局皇后穿越时空进入草包美人的身体,她们的互补达到了极致,她棋艺精湛却满脸刀疤,她倾国倾城却腹中空空。当美貌和才华合并的时候,且看她如何力挽狂澜,统领棋国,且看她如何征服各路美男心……推荐自己的完结文:凤凰涅槃的故事《绝色残后》推荐自己的完结作品:《深宫错影》《穿越之寻爱千年》感谢莫名蔷薇给《穿越之绝色倾妃》做的视频视频地址:&pstyle=1好兴奋啊,第一次有了作品的视频。推荐我的偶像,潇湘四星作者沧海明珠的文文《玉落碧水凝黛情》推荐朋友的文:云千仓:《精灵公主林黛玉》
  • 东宫有本难念的经

    东宫有本难念的经

    宝庆十九年春,大佑国皇太子大婚,大将军之女入主东宫。一个不是淑女的将门千金遭遇一个不是文韬武略的中庸太子,到底是佳偶天成,还是冤家路窄?成婚一年不足,太子忽然休妻。迷影重重,生死茫茫,这样一来,还是不是大团圆结局?
  • 夜不见月光蓝

    夜不见月光蓝

    年月蓝十岁的时候父母离异,爸爸再婚,后妈带来的弟弟,时常以欺负她为乐。之后,她遇见了飞扬的顾凉西,从此把他当成了自己世界里的光明,用一只墨色的画笔绘制了一段只属于他们两个人的故事。从小一起长大的邻居许新泽向她表白心迹,使得一直暗恋他的唐心甜却处处针对她,就连对她友好的余纱纱也因为嫉妒她在背地里使手段,看似单纯的友情也不过是一场欺骗。成长在这样的青春里,要以一颗什么样的心来分清现实与想象的区别呢?是继续沉迷,还是骤然转醒?即使这个世界让我们疼痛,可这就是我们从小生长,而必需爱它的地方。
  • 尸心不改

    尸心不改

    控尸门的欢乐二缺弟子江篱炼了一具美得人神共愤引得天雷阵阵的男尸,以为好日子开始了,结果没想到门派惨遭灭门。--情节虚构,请勿模仿
  • 特训王妃:艳冠天下

    特训王妃:艳冠天下

    莫名其妙穿越到不知名的国度,她就被送入地狱锤炼。九死一生,她却被推入了仇恨的深渊,众叛亲离。当濒临死亡边缘,他对她不离不弃,坚守他们真挚的情感。当她再度回归,却已经是不可动摇的王者。看一弱小女子,如何在异世开辟属于她自己的天空!
  • 胡桃匣子守护神

    胡桃匣子守护神

    她在学院大冒险时捡到古老的胡桃匣子,打开匣子,出现一个守护神。是天降好运,还是恶灵缠身?对恋爱充满憧憬的新闻系女生上野晴,无意中释放出被关在胡桃匣子中的守护神克瑞斯,从此过上与神同居、不得安宁的精彩生活。
  • 重返猎人塔

    重返猎人塔

    数万光年的神话长卷堪称宇宙奇观,长卷中讲述着不为人知的故事……魂香谷里有座奇光四溢的猎人塔……修罗界残暴无情,在谷中大开杀戒,只为满足他们驾驭一切的野心……幸存者后继有人,他们上冲九天神殿,下入万劫地狱,横越神山魔岭,潜游无底深海,战灵斗神,弑魔杀魂,重返猎人塔!
  • 滴血轮回

    滴血轮回

    一张古老的羊皮卷藏匿着一个无所不能的宝贝的位置,羊皮卷出世,势必掀起一阵血雨腥风,林龙一个部队的末等兵,一次野外训练,被同伴恶意丢下迷失在无人岛,机遇巧合下竟捡到传闻中的羊皮卷,得到能量无穷的古剑,凡界,神界,看一个小喽喽如何称雄霸帝……
  • 三栖特种兵

    三栖特种兵

    三栖特种兵,处处我为雄!显奇能,时空无阻,金手指,灵犀一动。生死不渝同心契,情同手足兄弟盟。
  • 全球顶级企业通用的10种企划管理方法

    全球顶级企业通用的10种企划管理方法

    一个企划人,不仅需要一种思维智慧,而且还需要一种运作智慧。尤其是作为一个新世纪的中国企划人,面对日趋激烈的全球化商业竞争环境,面对国际同行咄咄逼人的气势,更需要一种大智慧、大谋略、大境界!本书希望能通过顶级企业在实际商战运作中的现身说法,给读者一个切身的感受。