登陆注册
2548100000014

第14章 能源核聚变

核聚变就是利用氢、氦等较轻的原子核聚变成较重的原子核,同时释放出大量能量。聚变反应放出的能量称为聚变能。氢弹爆炸就是聚变反应。

那么如何使它们发生核聚变呢?要想使两个较轻原子核发生聚变,就必需使这两个核距离非常近,相互距离要小于1000万亿分之三米才行。只有在这个距离内,两个核内的核力才能相互作用而产生聚变反应。但是,在地球上天然存在的物质中,原子核都是带正电的。要使两个带正电的原子核互相靠近,就必需克服它们之间的静电排斥力;而且这种斥力的大小与两个核之间的距离的平方成反比,随着距离的减小斥力就会增加。所以只有使两个核获得足够的动力,然后快速撞上去,才能克服静电斥力从而发生聚变。因此,最常用的方法就是将聚变材料,加热到几千万至几亿摄氏度的高温,来使它们的原子核获得足够动能,为核聚变的发生创下条件。所以通常把这种核聚变反应又称为热核聚变。

现在世界各国都非常重视可控制热核反应的研究,因为核聚变能源具有其他能源,包括核裂变能源无法相比的一系列优点。

释放能量大。1千克铀235裂变所释放的能量是燃烧1千克煤释放的能量的270万倍;而1千克氘、氚混合物聚变所释放的能量比1千克铀235的裂变所释放的能量还要多4.14倍。

原料储量丰富。聚变材料氘蕴藏在自然界的水中。1千克海水中能提炼出0.03克的氘。但这一点点氘,通过聚变反应就能释放出相当于300升汽油的能量。而全球的海水中共含有40万亿吨氘,可以满足人类几十亿年的需要。氘、氚核聚变所用的氘,由于具有衰变性,在自然界中几乎不存在,但可以通过使锂吸收中子的方法得到。地球上的锂,足够使热核技术发展到完全以氘、氘核聚变代替氘、氚核聚变的时代。

开采成本低廉。目前制取1千克裂变材料浓缩铀的费用约为1.2万美元,而制取1千克聚变材料氘只需300美元。从而大大降低了成本。

使用安全可靠。氘、氚核聚变反应的生成物是稳定的氦核,既没有放射性,也不污染环境。热核反应堆万一发生故障,只要向它停止供应聚变材料,反应就会因变冷而停止,不会产生爆炸等一些严重的事故。

可以发生聚变反应的轻核有很多种,但首选的聚变材料是氢以及它的同位素氘和氚。氢的原子核只有一个质子;氘和氚的原子核中,除各有一个质子以外,氘核中还有一个中子,氚核中则有两个中子。质子带正电,中子不带电,原子核带正电,就是因为其中的质子带正电。氢、氘、氚的核中各只有一个质子,它们在所有物质的原子核中带正电量最少。因经它们的核之间静电斥力最小,也就是说它们最容易发生聚变。不但容易发生聚变,而且释放出的聚变能也比其他类的聚变反应多。在氢类的核聚变中,又以氘核和氚核的聚变反应最好。氢弹用的聚变材料主要是氘和氚,这是它之所以称为“氢”弹的原因。氢弹中装了一个小型的原子弹作为引爆装置。原子弹爆炸产生极高的温度和压力,使氢弹在一瞬间发生热核反应而爆炸。这种一瞬间发生的大规模热核聚变反应,不受人工控制,巨大的聚变能一下子被释放干净,无法按照人们的意志来有效地加以利用。

能不能像控制裂变反应那样,造出热核反应堆来控制热核反应呢?对于科学家来说,这还是一件非常困难的事。

当然,就像上面所说的,首先要将聚变材料(氘和氚)加热到1亿摄氏度的高温。在这样的高温下,原子核外的电子已经与核完全脱离,使聚变材料完全变成由自由的带电粒子——原子核和脱离了原子核的电子组成的气体,称为等离子体。

另外,虽然在亿度高温的等离子体中原子核已具有了足够的动能,但仍不能保证它们能互相碰撞。为了加大它们碰撞的机会,要对等离子体进行控制,即要把它“压缩”到一个很小的空间内,使粒子的密度大大增加。一般这个密度要达到每立方米中的粒子数大于1万亿亿个。

热核反应堆如果能使材料达到1亿摄氏度的高温并将粒子密度压缩到每立方米1万亿亿个,且能使这种状态维持到1秒钟以上,热核反应就能发生并可持续地进行下去。以后的高温,就可以靠已经发生的聚变所产生的能量中的一部分来维持了。

但是,温度如此高的等离子体无法用任何容器来容纳。于是科学家想出用封闭磁场组成的“容器”来约束。这个“容器”又叫磁笼,它看不见,摸不着,不怕高温。这种约束等离子体的方法叫磁约束。

前苏联科学家设计的热核反应装置——托卡马克采用的就是磁约束装置。在这种装置中,聚变反应是在环状圆管内进行的。管上绕的通电超导线圈产生强磁场,使等离子体在管的中心线上做圆周运动,不和管壁接触。首先用电磁感应产生的大电流的欧姆热将等离子体加热到1000万摄氏度,再用注入高能中性粒子束等方法使等离子体达到亿度高温。

除前苏联外,美国、西欧、日本等都建有托卡马克装置,其中在20世纪80年代建成了世界着名的“四大托卡马克系统”,即美国普林斯顿大学的托卡马克聚变实验堆、建在英国的欧洲联合核聚变实验室的托卡马装置、建在日本茨城县那珂町的日本原子力研究所的JT60和建在莫斯科的俄罗斯的T15。1991年11月9日,欧洲联合核聚变实验室首次成功地完成了受控核聚变反应实验,聚变的时间持续了2秒钟,温度高达3亿℃,且有1700千瓦的能量输出。当然,实验与实用之间还存在着相当大的距离。

除了磁约束方法外,近年来科学家们又进行利用强大的激光或核粒子束对氘和氚的固体球诱发核聚变的研究,并已初见成效,这种方法称为惯性约束法。

现在世界上已有数百座热核反应实验装置。我国也有了近10个小型托卡马克装置,其中最大的是1989年9月建成的“中国环流1号”。它的建成使我国又获得了一个研究热核聚变的有力工具。

目前,美、英、俄、日等14国正在联合建造一座“国际热核反应堆”,估计在2005年投入使用。这个托卡马克型的反应堆有10层楼那么高,装有能量转换和传导设备,可以直接用于发电试验。然而,即使发电试验成功,人类要用上利用聚变能发出的电,估计也要在2020年以后才能实现。

同类推荐
  • 青少年天文常识必读(青少年必读常识)

    青少年天文常识必读(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。
  • 男生一号肖小笑

    男生一号肖小笑

    学习好,头脑灵活,是谋划把老师搞掂的主谋,生动有趣描述了小学生的成长经历,还有“铁三角”中的唯一女生田田和军师范弥胡,“铁三角”中的老大,当严肃可爱的老教师石老师碰上这群捣蛋鬼时,本书是快乐少年第四辑之整蛊校园之一,她该如何接招?本书生动,肖小笑,幽默,是一部全面反映小学生校园生活的小说,情节简单,班长,适合广大青少年读者
  • 名胜奇迹(走进科学)

    名胜奇迹(走进科学)

    本套书全面而系统地介绍了当今世界各种各样的难解之谜和科学技术,集知识性、趣味性、新奇性、疑问性与科普性于一体,深入浅出,生动可读,通俗易懂,目的是使广大读者在兴味盎然地领略世界难解之谜和科学技术的同时,能够加深思考,启迪智慧,开阔视野,增加知识,能够正确了解和认识这个世界,激发求知的欲望和探索的精神,激起热爱科学和追求科学的热情,不断掌握开启人类世界的金钥匙,不断推动人类社会向前发展,使我们真正成为人类社会的主人。
  • 信息科学(世界科技百科)

    信息科学(世界科技百科)

    本套青少年科普知识读物综合了中外最新科技的研究成果,具有很强的科学性、知识性、前沿性、可读性和系统性,是青少年了解科技、增长知识、开阔视野、提高素质、激发探索和启迪智慧的良好科谱读物,也是各级图书馆珍藏的最佳版本。
  • 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。
热门推荐
  • 世界最具科学性的科幻小说(4)

    世界最具科学性的科幻小说(4)

    我的课外第一本书——震撼心灵阅读之旅经典文库,《阅读文库》编委会编。通过各种形式的故事和语言,讲述我们在成长中需要的知识。
  • 婚前契约:三嫁恶魔总裁

    婚前契约:三嫁恶魔总裁

    【全文已完结】她父母双亡为了救治瘫痪的弟弟,只得和年长她四十岁的人订婚成亲,谁知订婚前夜却遇到了心仪的他……婚后才发现那个他竟然和自己在同一屋檐下。一次次的爱恨纠葛,两个人如同宿敌一般的你争我斗却是埋下情根……但是她也深刻的认识到,若是要主宰自己的命运,最后依靠的必定是自己!什么老公?什么盟友?麻烦请滚远好么?这个男人的商战天下,她许小诺也要分得三分!
  • 每天一堂哲学课

    每天一堂哲学课

    人生就是完成自己的过程,每一个环节都充满了哲学,哲学无处不在,其实它并不深奥,越是简单,越有智慧,越有解脱烦恼的力量。以生活为琴,以知识为谱,与哲学大师一起修行。每天一堂哲学课,浸润自己的心灵,丰富自己的情感。
  • 启迪青少年卓越人生的智慧故事

    启迪青少年卓越人生的智慧故事

    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。潜能是人人都有的、与生俱来的、尚未被开发的大脑智慧能力。潜能在一定程度上受遗传因素的控制,但只要开发得当,每个孩子都能表现出非凡的智慧和与众不同的能力。潜能开发必须从小做起,因为孩子的大脑具有非常强的可逆性。儿童期是脑的结构和功能发育的关键时期,在这一时期,宝宝的大脑活动程度是成人的两倍,宝宝不仅对世界充满好奇心,思维也最敏捷、最活跃,因而这个时期最适合对孩子的大脑潜能进行开发。
  • 傻子王爷无情妃

    傻子王爷无情妃

    一只毒蝎子,彻底断送了她年轻的生命!别人只知道,那个软弱没主见的女人被迫嫁给一个痴傻呆闷的七皇子。殊不知,她早已不再是“她”!面对痴傻只会憨笑的美男,她气愤难填!你傻,本美女就医好你,谁知医好后,遭到嫌弃,却换来一纸休书,气愤之下,她恨不得与他同归于尽……
  • 奥术神座

    奥术神座

    “知识就等于力量。”“所谓神,不过是强大一点的奥术师。”带着一大堆知识的夏风穿越而来了。
  • 南北极:穆时英作品精选

    南北极:穆时英作品精选

    本书是感悟文学大师经典,本套丛书选文广泛、丰富,且把阅读文学与掌握知识结合起来,既能增进广大读者阅读经典文学的乐趣,又能使我们体悟人生的智慧和生活哲理。本套图书格调高雅,知识丰富,具有极强的可读性、权威性和系统性,非常适合广大读者阅读和收藏,也非常适合各级图书馆装备陈列。
  • 嫡女棣王妃

    嫡女棣王妃

    “姨娘,夫人似乎断气了~”“哼!这么一碗药都下去了,难道她还能活着不成?”“那这······”一个年纪稍长的人朝着这位称作姨娘的人示意了一下自己手中的婴儿,似乎有些犹豫,“这好歹是个男孩,现在夫人已经死了,如果姨娘把他占为己有,然后得了这府中的中馈······”“嬷嬷?!”女子也不等她的话说完,就打断了她,“你记住了,我恨死了这个女人,她的儿子,只能随着她去,我就是以后自己生不出儿子,抱养别人的,也不会要她的。把他给我扔马桶里面溺了,对外就说一出生就死了!”猩红的嘴唇,吐出来的话却是格外的渗人。嬷嬷还想说什么,动了动嘴,却是一句话也没有说,转身朝着后面放着马桶的地方走去。却是没有发现旁边地上一个穿着有些破旧的衣服的小女孩此刻正瞪大了眼睛看着她们两。这是什么情况?自己不是被炸死了吗?怎么会······于此同时,脑中不断有记忆闪现出来,她们是自己的母亲和刚出生的弟弟啊?!不行,先救人。转头看见旁边谁绣花留下的针线跟剪刀,想到自己前世的身手,拿起一根绣花针就朝着那个嬷嬷飞了过去,却在半路上掉落下来,暗骂一声,这人是什么破身体。却引得那两个人听见动静看了过来。女人阴狠的盯着她,“你居然没有死?”微微眯起眼睛,自己的前身也是被她们弄死的了,看样子她们谁也不会放过,抓起旁边的剪刀就冲了过去。随着几声惨叫声,从此以后,府中府外都传遍了她的“美名”——凤家大小姐心肠歹毒,刺伤了府中无数的人,宛如一个疯子。
  • 指尖的呵护:培养情智健康的宝宝

    指尖的呵护:培养情智健康的宝宝

    早期教育的目的以激发和培养婴幼儿的学习兴趣为主。分别讲述了婴幼儿的情感需求、父母面临的挑战、关爱婴幼儿需注意的事项、婴幼儿智力开发以及目前早期教育存在的误区。,对婴幼儿的智力干预和开发越早越好。共分为五个部分。早期教育不等于提前进行读、写、算等技能训练。早期教育之所以针对0-3岁的孩子,是因为3岁以前是孩子大脑发育的关键时期
  • 天定风华之懦弱世子妃

    天定风华之懦弱世子妃

    她是白府唯一的嫡女白茉尘,空顶着天朝第一美女的头衔,却是懦弱、草包、无能的代名词;百花会,未婚夫当场悔婚,惊怒之下,万念俱灰跌落荷花池;一命呜呼。她出身于中医世家,亦是商界传奇,年纪轻轻便叱咤商界,翻云覆雨;话说商场如战场,一着不慎,便生死殒命。当商界奇才成了懦弱嫡女,又将会有怎样的人生?……小剧场:(一)纳兰锦本着既来之则安之的思想。但是曾经悔婚的未婚夫又找了回来:“白茉尘,我可以许你正妻之位,你要想清楚了?否则后悔都晚了。”某女深思:“不用想”某男激动:“你答应了”某女一脸真诚:“别人之蜜糖,我之砒霜。”某男暴走:“你,……”顿了顿又道:“若是在死和我之间让你选呢?”某女:“那我宁愿去死”同时腹谤:“笑话,好不容易出手的残次品,概不退换?”