什么是核聚變?

【專家解說】：核聚變是指由質量小的原子，主要是指氘或氚，在一定條件下(如超高溫和高壓)，發(fā)生原子核互相聚合作用，生成新的質量更重的原子核，并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。如果是由重的原子核變化為輕的原子核，叫核裂變，如原子彈爆炸;如果是由輕的原子核變化為重的原子核，叫核聚變，如太陽發(fā)光發(fā)熱的能量來源。 核聚變，即氫原子核(氘和氚)結合成較重的原子核(氦)時放出巨大的能量。 熱核反應[1]，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、鋰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，但目前尚無法加以利用。如能使熱核反應在一定約束區(qū)域內，根據(jù)人們的意圖有控制地產生與進行，即可實現(xiàn)受控熱核反應。這正是目前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。 編輯本段反應條件 核聚變是指由質量小的原子，主要是指氘或氚，在一定條件下 太陽的能量來自它中心的熱核聚變 (如超高溫和高壓)，發(fā)生原子核互相聚合作用，生成新的質量更重的原子核，并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。如果是由重的原子核變化為輕的原子核，叫核裂變，如原子彈爆炸;如果是由輕的原子核變化為重的原子核，叫核聚變，如太陽發(fā)光發(fā)熱的能量來源。 目前人類已經可以實現(xiàn)不受控制的核聚變，如氫彈的爆炸。但是要想能量可被人類有效利用，必須能夠合理的控制核聚變的速度和規(guī)模，實現(xiàn)持續(xù)、平穩(wěn)的能量輸出?？茖W家正努力研究如何控制核聚變，但是現(xiàn)在看來還有很長的路要走。 編輯本段可控核聚變方式 目前主要的幾種可控核聚變方式: 超聲波核聚變 激光約束(慣性約束)核聚變 磁約束核聚變(托卡馬克) 典型的聚變反應是 411H-→42He+20n+1e+2.67×107eV 21H+21H-→32He+10n+3.2×106eV 21H+21H-→31He+11H+4×106eV 31H+21H-→42He+10n+1.76×107eV 后三個反應的凈反應是 521H-→42He+32He+11H+210n+2.48×107eV 編輯本段核聚變的應用 1、可控核聚變的發(fā)生條件 產生可控核聚變需要的條件非?？量?。我們的太陽就是靠核聚變反應來給太 EAST全超導非圓截面核聚變實驗裝置 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，只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，只能靠強大的磁場來約束。此外這么高的溫度，核反應點火也成為問題。不過在2010年2月6日，美國利用高能激光實現(xiàn)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。 2、核聚變的反應裝置 目前，可行性較大的可控核聚變反應裝置就是托卡馬克裝置。 托卡馬克是一種利用磁約束來實現(xiàn)受控核聚變的環(huán)性容器。它的名字Tokamak 來源于環(huán)形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、線圈(kotushka)。最初是由位于蘇聯(lián)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(fā)明的。 托卡馬克的中央是一個環(huán)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，將其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達到核聚變的目的。 我國也有兩座核聚變實驗裝置。 3、核聚變的優(yōu)劣勢 優(yōu)勢: (1).核聚變釋放的能量比核裂變更大 (2).無高端核廢料 (3).可不對環(huán)境構成大的污染，而且反應過程容易控制，核事故風險 極低! (4).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) (5).無法用作核武器材料 也就沒有了政治干涉! 劣勢: 反應要求極高，技術要求極高 從理論上看，用核聚變制造武器和提供部分能源，是非常有益的。但目前人類還沒有辦法，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，政治干涉很大，放射性與危險性大，核裂變的優(yōu)勢無法完全利用。截至2006年，核能(核裂變能)發(fā)電占世界總電力約15%。說明了核裂變的應用的規(guī)模之大，更能說明優(yōu)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年以后，核聚變發(fā)電廠才有可能投入商業(yè)運營。2050年前后，受控核聚變發(fā)電將廣泛造福人類。 ) 編輯本段核聚變與恒星發(fā)光原理 當四個氫原子在高溫下靠得很近時，四個質子會撞到一起時，其中兩個會發(fā)生衰變，釋放出兩個反中微子和正電子，變成中子。這兩個正電子會與原子核外電子相互湮滅，形成兩個光量子;剩下的一共有兩個中子、質子和電子，恰好形成一個氦原子。絕大多是恒星都是通過質子的衰變而發(fā)出光芒，這在日常生活中也用途很大。 編輯本段另一定義 比原子彈威力更大的核武器-氫彈，就是利用核聚變來發(fā)揮作用的。 EAST全超導非圓截面托卡馬克實驗裝置 核聚變的過程與核裂變相反，是幾個原子核聚合成一個原子核的過程。只有較輕的原子核才能發(fā)生核聚變，比如氫的同位素氘(dao)、氚(chuan)等。核聚變也會放出巨大的能量，而且比核裂變放出的能量更大。太陽內部連續(xù)進行著氫聚變成氦過程，它的光和熱就是由核聚變產生的。 核聚變能釋放出巨大的能量，但目前人們只能在氫彈爆炸的一瞬間實現(xiàn)非受控的人工核聚變。而要利用人工核聚變產生的巨大能量為人類服務，就必須使核聚變在人們的控制下進行，這就是受控核聚變。 實現(xiàn)受控核聚變具有極其誘人的前景。不僅因為核聚變能放出巨大的能量，而且由于核聚變所需的原料--氫的同位素氘可以從海水中提取。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100升汽油燃燒釋放的能量。全世界的海水幾乎是“取之不盡”的，因此受控核聚變的研究成功將使人類擺脫能源危機的困擾。 但是人們現(xiàn)在還不能進行受控核聚變，這主要是因為進行核聚變需要的條件非?？量?。發(fā)生核聚變需要在1億度的高溫下才能進行，因此又叫熱核反應?？梢韵胂?，沒有什么材料能經受得起1億度的高溫。此外還有許多難以想象的困難需要去克服。盡管存在著許多困難，人們經過不斷研究已取得了可喜的進展?？茖W家們設計了許多巧妙的方法，如用強大的磁場來約束反應，用強大的激光來加熱原子等?？梢灶A計，人們最終將掌握控制核聚變的方法，讓核聚變?yōu)槿祟惙铡?利用核能的最終目標是要實現(xiàn)受控核聚變。裂變時靠原子核分裂而釋出能量。聚變時則由較輕的原子核聚合成較重的較重的原子核而釋出能量。最常見的是由氫的同位素氘(讀"刀"，又叫重氫)和氚(讀"川"，又叫超重氫)聚合成較重的原子核如氦而釋出能量。 核聚變較之核裂變有兩個重大優(yōu)點。一是地球上蘊藏的核聚變能遠比核裂變能豐富得多。據(jù)測算，每升海水中含有0.03克氘，所以地球上僅在海水中就有45萬億噸氘。1升海水中所含的氘，經過核聚變可提供相當于300升汽油燃燒后釋放出的能量。地球上蘊藏的核聚變能約為蘊藏的可進行核裂變元素所能釋出的全部核裂變能的1000萬倍，可以說是取之不竭的能源。至于氚，雖然自然界中不存在，但靠中子同鋰作用可以產生，而海水中也含有大量鋰。 第二個優(yōu)點是既干凈又安全。因為它不會產生污染環(huán)境的放射性物質，所以是干凈的。同時受控核聚變反應可在稀薄的氣體中持續(xù)地穩(wěn)定進行，所以是安全的。 國際熱核聚變實驗堆裝置示意圖 目前實現(xiàn)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，把等離子體約束在很小范圍內以實現(xiàn)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(yè)應用還差得遠。按照目前技術水平，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(xiàn)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。從外面均勻射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸發(fā)，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后噴而推動飛機前飛一樣，小球內氣體受擠壓而壓力升高，并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(fā)生爆炸，并產生大量熱能。這種爆炸過程時間很短，只有幾個皮秒(1皮等于1萬億分之一)。如每秒鐘發(fā)生三四次這樣的爆炸并且連續(xù)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(fā)電站。 原理上雖然就這么簡單，但是現(xiàn)有的激光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及的。 盡管實現(xiàn)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。 編輯本段原理 簡單的回答:根據(jù)愛因斯坦質能方程E=mc2. 原子核發(fā)生聚變時，有一部分質量轉化為能量釋放出來。 只要微量的質量就可以轉化成很大的能量。 兩個輕的原子核相碰，可以形成一個原子核并釋放出能量，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。 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600個氫原子中就有一個氘原子，海水中氘的總量約40萬億噸。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。按目前世界消耗的能量計算，海水中氘的聚變能可用幾百億年。氚可以有鋰制造。鋰主要有鋰-6和鋰-7兩種同位素。鋰-6吸收一個熱中子后，可以變成氚并放出能量。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。用它來制造氚，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。 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(fā)，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(xiàn)出美好的前景。 典型的聚變反應是 411H-→42He+20-1e+2.67×107eV 21H+21H-→32He+10n+3.2×106eV 21H+21H-→31H+11H+4×106eV 31H+21H-→42He+10n+1.76×107eV 后三個反應的凈反應是 521H-→42He+32He+11H+210n+2.48×107eV 即每5個21H聚變后放出2.48×107eV能量。 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1.03×1022個氘原子，就是說每1Km3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(shù)字約為地球上蘊藏的石油總儲量。 要使原子核之間發(fā)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。原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(tài)的原子核在高溫下有控制地發(fā)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(xiàn)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、原子彈爆炸釋放出來的大量裂變能，都是不可控制的。在第一顆原子彈爆炸后僅十多年，人們就找到控制裂變反應的辦法，并建成了裂變電站。原以為氫彈炸爆后能建成聚變電站，但并不如此簡單，即使在地球條件下能發(fā)生的聚變反應: 31H+21H-→42He+10n+1.76×107eV 也只能在極高的溫度(＞4000℃)和足夠大的碰撞幾率條件下，才能大量發(fā)生。因此實際可作為能源使用的受控熱核聚變反應，必須在產生并加熱等離子體到億萬攝氏度高溫的同時，還要有效約束這一高溫等離子體。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。