核聚變

核聚變

核聚變(nuclear fusion),又稱核融合、融合反應或聚變反應 核是指由質量小的原子,主要是指或氚,在一定條件下(如超高溫和高壓),隻有在極高的溫度和壓力下才能讓核外電子擺脫原子核的束縛,讓兩個原子核能夠互相吸引而碰撞到一起,發生原子核互相聚合作用,生成新的質量更重的原子核(如氦),中子雖然質量比較大,但是由于中子不帶電,因此也能夠在這個碰撞過程中逃離原子核的束縛而釋放出來,大量電子和中子的釋放所表現出來的就是巨大的能量釋放。這是一種核反應的形式。原子核中蘊藏巨大的能量,原子核的變化(從一種原子核變化為另外一種原子核)往往伴隨著能量的釋放。核聚變是核裂變相反的核反應形式。科學家正在努力研究可控核聚變,核聚變可能成為未來的能量來源。

核聚變燃料可來源于海水和一些輕核,所以核聚變燃料是無窮無盡的。 人類已經可以實現不受控製的核聚變,如氫彈的爆炸。但是要想能量可被人類有效利用,必須能夠合理的控製核聚變的速度和規模,實現持續、平穩的能量輸出。科學家正努力研究如何控製核聚變。

最簡單的核聚變裝置如下:先電解水生成氫氣和氧氣。再把氫氣低溫壓縮成固態氫,置于厚重的水泥封裝中。水泥封裝內有動力水,冷卻水系統。根據四個氫核聚變一個氦核放熱原理,需要陶瓷減速棒。可利用核裂變反應在中心點火。最後核聚變會一直進行,根據熱脹冷縮原理核燃料體積會減少,加入融化的減速棒即可。動力水要連線蒸汽輪機用來發電。

  • 中文名稱
    核融合/融合反應/聚變反應
  • 外文名稱
    Nuclear fusion

原理

核聚變,即輕原子核(例如)結合成較重原子核(例如氦)時放出巨大能量。因為化學是在分子、原子層次上研究物質性質,組成,結構與變化規律的科學,而核聚變是發生在原子核層面上的,所以核聚變不屬于化學變化

熱核反應,或原子核的聚變反應,是當前很有前途的新能源。參與核反應的氫原子核,如氫(氕)、氘、氚、等從熱運動獲得必要的動能而引起的聚變反應(參見核聚變)。熱核反應是氫彈爆炸的基礎,可在瞬間產生大量熱能,但尚無法加以利用。如能使熱核反應在一定約束區域內,根據人們的意圖有控製地產生與進行,即可實現受控熱核反應。這正是在進行試驗研究的重大課題。受控熱核反應是聚變反應堆的基礎。聚變反應堆一旦成功,則可能向人類提供最清潔而又是取之不盡的能源。

氘、氚核聚變示意圖氘、氚核聚變示意圖

冷核聚變是指:在相對低溫(甚至常溫)下進行的核聚變反應,這種情況是針對自然界已知存在的熱核聚變(恆星內部熱核反應)而提出的一種概念性'假設',這種構想將極大的降低反應要求,隻要能夠在較低溫度下讓核外電子擺脫原子核的束縛,或者在較高溫度下用高強度、高密度磁場阻擋中子或者讓中子定向輸出,就可以使用更普通更簡單的設備產生可控冷核聚變反應,同時也使聚核反應更安全。

類型

D(氘)和T(氚)聚變會產生大量的中子,而且攜帶有大量的能量(14.1),中子對于人體和生物都非常危險。

聚變反應中子的麻煩之處在于中子可以跟反應裝置的牆壁發生核反應。用一段時間之後就必須更換,很費錢。而且換下來的牆壁可能有放射性(取決于牆壁材料的選擇),成了核廢料。還有一個不好的因素是氚具有放射性,而且氚也可能跟牆壁反應。

核聚變

氘氚聚變隻能算"第一代"聚變,優點是燃料便宜,缺點是有中子。

"第二代"聚變是氘和氦3反應。這個反應本身不產生中子,但其中既然有氘,氘氘反應也會產生中子,可是總量非常非常少。如果第一代電站必須遠離鬧市區,第二代估計可以直接放在市中心。

"第三代"聚變是讓氦3跟氦3反應。這種聚變完全不會產生中子。這個反應堪稱終極聚變。

起源

核聚變程式于1932年由澳洲科學家馬克·歐力峰(英語:MarkOliphant)所發現。隨後于1950年代早期,他在澳洲國立大學(ANU)成立了電漿核聚變研究機構(FusionPlasmaResearch)。

反應條件

核聚變是指由質量小的原子,主要是指,在一定條件下

(如超高溫和高壓),發生原子核互相聚合作用,生成新的質量更重的原子核,並伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應形式。原子核中蘊藏巨大的能量,原子核的變化(從一種原子核變化為另外一種原子核)往往伴隨著能量的釋放。

太陽的能量來自它中心的熱核聚變太陽的能量來自它中心的熱核聚變

實現方式

通常有三種方式來產生核聚變:1.重力場約束;2.慣性約束;3.磁約束。

其中主要的可控核聚變方式:

雷射約束(慣性約束)核聚變(如我國的神光計畫,美國的國家點火計畫都是這種形式)

磁約束核聚變(托卡馬克、仿星器、磁鏡、反向場、球形環等),這種方式目前被認為是最有前途的。

套用

發生條件

產生可控核聚變需要的條件非常苛刻。我們的太陽就是靠核聚變反應來給太陽系帶來光和熱,其中心溫度達到1500萬攝氏度,另外還有巨大的壓力能使核聚變正常反應,而地球上沒辦法獲得巨大的壓力,隻能通過提高溫度來彌補,不過這樣一來溫度要到上億度才行。核聚變如此高的溫度沒有一種固體物質能夠承受,隻能靠強大的磁場來約束。由此產生了磁約束核聚變。

EAST全超導非圓截面核聚變實驗裝置EAST全超導非圓截面核聚變實驗裝置

對于慣性核聚變,核反應點火也成為問題。不過在2010年2月6日,美國利用高能雷射實現核聚變點火所需條件。中國也有"神光2"將為我國的核聚變進行點火。

反應裝置

可行性較大的可控核聚變反應裝置是托卡馬克裝置。

托卡馬克是一種利用磁約束來實現受控核聚變的環性容器。它的名字Tokamak 來源于環形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、線圈(kotushka)。最初是由位于蘇聯莫斯科的庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等人在20世紀50年代發明的。

托卡馬克的中央是一個環形的真空室,外面纏繞著線圈。在通電的時候托卡馬克的內部會產生巨大的螺旋型磁場,將其中的電漿加熱到很高的溫度,以達到核聚變的目的。

我國也有兩座核聚變實驗裝置。

優劣勢

優勢

(1)核聚變釋放的能量比核裂變更大

(2)無高端核廢料,可不對環境構成大的污染

(3)燃料供應充足,地球上重氫有10萬億噸(每1升海水中含30毫克氘,而30毫克氘聚變產生的能量相當于300升汽油)

核聚變能利用的燃料是氘(D)和氚。氘在海水中大量存在。海水中大約每6500個氫原子中就有一個氘原子,海水中氘的總量約45萬億噸。每升海水中所含的氘完全聚變所釋放的聚變能相當于300升汽油燃料的能量。按世界消耗的能量計算,海水中氘的聚變能可用幾百億年。氚可以由鋰製造。鋰主要有鋰-6和鋰-7兩種同位素。鋰-6吸收一個熱中子後,可以變成氚並放出能量。鋰-7要吸收快中子才能變成氚。地球上鋰的儲量雖比氘少得多,也有兩千多億噸。用它來製造氚,足夠用到人類使用氘、氘聚變的年代。因此,核聚變能是一種取之不盡用之不竭的新能源。

國際熱核聚變實驗堆裝置示意圖國際熱核聚變實驗堆裝置示意圖

在可以預見的地球上人類生存的時間內,水的氘,足以滿足人類未來幾十億年對能源的需要。從這個意義上說,地球上的聚變燃料,對于滿足未來的需要說來,是無限豐富的,聚變能源的開發,將"一勞永逸"地解決人類的能源需要。六十多年來科學家們不懈的努力,已在這方面為人類展現出美好的前景。

氘是相當豐富的氫同位素,在海洋中每6500個氫原子就有1個氘原子,這意味著海洋是極大量氘的潛在來源。僅在1L海水中就有1.03×10^22個氘原子,就是說每1Km^3海水中氘原子所具有的潛在能量相當于燃燒13600億桶原油的能量,這個數位約為地球上蘊藏的石油總儲量。經過計算,1升海水中提取出的氘進行核聚變放出的能量相當于300升汽油燃燒釋放的能量。

劣勢

反應要求與技術要求極高。

EAST全超導非圓截面托卡馬克實驗裝置EAST全超導非圓截面托卡馬克實驗裝置

從理論上看,用核聚變提供部分能源,是非常有益的。但人類還沒有辦法,對它們進行較好的利用。

(對于核裂變,由于原料鈾的儲量不多,政治幹涉很大,放射性與危險性大,核裂變的優勢無法完全利用。截至2006年,核能(核裂變能)發電佔世界總電力約15%。說明了核裂變的套用的規模之大,更能說明優勢比核裂變更大的核聚變能源前景更加光明。科學家們估計,到2025年以後,核聚變發電廠才有可能投入商業運營。2050年前後,受控核聚變發電將廣泛造福人類。 )

方法

實現核聚變已有不少方法。最早的著名方法是"托卡馬克"型磁場約束法。它是利用通過強大電流所產生的強大磁場,把電漿約束在很小範圍內以實現上述三個條件。雖然在實驗室條件下已接近于成功,但要達到工業套用還差得遠。要建立托卡馬克型核聚變裝置,需要幾千億美元。

另一種實現核聚變的方法是慣性約束法。慣性約束核聚變是把幾毫克的氘和氚的混合氣體或固體,裝入直徑約幾毫米的小球內。從外面均勻射入雷射束或粒子束,球面因吸收能量而向外蒸發,受它的反作用,球面內層向內擠壓(反作用力是一種慣性力,靠它使氣體約束,所以稱為慣性約束),就像噴氣飛機氣體往後噴而推動飛機前飛一樣,小球內氣體受擠壓而壓力升高,並伴隨著溫度的急劇升高。當溫度達到所需要的點火溫度(大概需要幾十億度)時,小球內氣體便發生爆炸,並產生大量熱能。這種爆炸過程時間很短,隻有幾個皮秒(1皮等于1萬億分之一)。如每秒鍾發生三四次這樣的爆炸並且連續不斷地進行下去,所釋放出的能量就相當于百萬千瓦級的發電站。

原理上雖然就這麽簡單,但是現有的雷射束或粒子束所能達到的功率,離需要的還差幾十倍、甚至幾百倍,加上其他種種技術上的問題,使慣性約束核聚變仍是可望而不可即的。

盡管實現受控熱核聚變仍有漫長艱難的路程需要我們征服,但其美好前景的巨大誘惑力,正吸引著各國科學家在奮力攀登。

原理

根據愛因斯坦質能方程E=mc^2,原子核發生聚變時,有一部分質量轉化為能量釋放出來。

隻要微量的質量就可以轉化成很大的能量。

兩個氫的原子核相碰,可以形成一個原子核並釋放出能量,這就是聚變反應,在這種反應中所釋放的能量稱聚變能。聚變能是核能利用的又一重要途徑。

最重要的聚變反應有:

式中D是氘核(重氫)、T是氚核(超重氫)。以上兩組反應總的效果是:

即每"燒"掉6個氘核共放出43.24MeV能量,相當于每個核子平均放出3.6MeV。它比n+裂變反應中每個核子平均放出200/236=0.85MeV高4倍。因此聚變能是比裂變能更為巨大的一種核能。

要使原子核之間發生聚變,必須使它們接近到飛米級。要達到這個距離,就要使核具有很大的動能,以克服電荷間極大的斥力。要使核具有足夠的動能,必須把它們加熱到很高的溫度(幾百萬攝氏度以上)。因此,核聚變反應又叫熱核反應。核子彈爆炸產生的高溫可引起熱核反應,氫彈就是這樣爆炸的。

受控核聚變是等離子態的原子核在高溫下有控製地發生大量原子核聚變的反應,同時釋放出能量。氘是最重要的聚變燃料,海洋是氘的潛在來源,一旦能實現以氘為基本燃料的受控核聚變,人們就幾乎擁有了取之不盡、用之不竭的能源。氫彈爆炸釋放出來的大量聚變能、核子彈爆炸釋放出來的大量裂變能,都是不可控製的。在第一顆核子彈爆炸後僅十多年,人們就找到控製裂變反應的辦法,並建成了裂變電站。原以為氫彈炸爆後能建成聚變電站,但並不如此簡單,即使在地球條件下能發生的聚變反應:

核動力技術核動力技術

3H+2H-→4He+10n+1.76×10^7eV

也隻能在極高的溫度(>4000 0000℃)和足夠大的碰撞幾率條件下,才能大量發生。因此實際可作為能源使用的受控熱核聚變反應,必須在產生並加熱電漿到億萬攝氏度高溫的同時,還要有效約束這一高溫電漿。這就是近幾十年內研究的難題和期望攻克的目標。中國的中科院物理所、中科院等離子物理所、西南物理研究院在實驗工程和理論研究各方面都做了許多的工作,也取得了許多重要的進展。

控製方法

​主要的幾種可控核聚變方式:

1、雷射約束(慣性約束)核聚變

2、磁約束核聚變(超導托卡馬克,仿星器)

研究進展

中國新一代熱核聚變裝置EAST2010年9月28日首次成功完成了放電實驗,獲得電流200千安、時間接近3秒的高溫電漿放電。

EAST全超導非圓截面核聚變實驗裝置EAST全超導非圓截面核聚變實驗裝置

負責這一項目的中國科學院電漿所所長李建剛研究員說,此次實驗實現了裝置內部1億度高溫,電漿建立、圓截面放電等各階段的物理實驗,達到了預期效果。

EAST裝置是中國耗時8年、耗資2億元人民幣自主設計、自主建造而成的。

美、法等國在20世紀80年代中期發起了耗資46億歐元的國際熱核實驗反應堆(ITER)計畫,旨在建立世界上第一個受控熱核聚變實驗反應堆,為人類輸送巨大的清潔能量。這一過程與太陽產生能量的過程類似,因此受控熱核聚變實驗裝置也被俗稱為"人造太陽"。

中國于2003年加入ITER計畫。位于安徽合肥的中科院電漿所是這個國際科技合作計畫的國內主要承擔單位,其研究建設的EAST裝置穩定放電能力為創記錄的1000秒,超過世界上所有正在建設的同類裝置。

國際熱核聚變實驗堆裝置示意圖國際熱核聚變實驗堆裝置示意圖

EAST大科學工程總經理萬元熙教授說,與ITER相比,EAST在規模上小很多,但兩者都是全超導非圓截面托卡馬克,即兩者的電漿位形及主要的工程技術基礎是相似的,而EAST至少比ITER早投入實驗運行10至15年。

據科技日報2014年10月17日訊息,美國老牌軍工巨頭洛克希德馬丁公司近日宣布,其已在開發一種基于核聚變技術的能源方面取得技術突破,第一個小至可安裝在卡車後端的小型反應堆有望在十年內誕生。

從長遠來看,核能將是繼石油、煤和天然氣之後的主要能源,人類將從"石油文明"走向"核能文明"。

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