莆田高仿鞋批发代理:揭秘核聚变反应堆工作原理

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2011-03-17 11:46:41|  分类:科学原理 |  标签:核聚变  反应堆  等离子体  中子  原子   |字号大中小
与其他能源相比,核聚变反应堆有几项显著的优点,因而一直备受媒体的关注。它们的燃料来源十分充足,辐射泄漏也处于正常范围之内,与目前的核裂变反应堆相比,其放射性废物更少。
然而迄今为止,还没有人将这一技术应用到实践中,但建造这种反应堆实际上已为期不远。目前,核聚变反应堆正处于试验阶段,世界各个国家及地区的多个实验室都开展了这项研究。

建立ITER核聚变反应堆工厂的建议地点——法国卡达拉什
美国、俄罗斯、欧洲和日本经过协商,建议在法国卡达拉什建立一座名为国际热核试验堆(ITER)的核聚变反应堆,旨在研究通过持续核聚变反应来发电的可行性。在本文中,我们将介绍关于核聚变的知识,并了解ITER反应堆的工作方式。
核聚变物理学:反应
同位素同位素是指质子数和电子数相同,但中子数不同的同一类元素的原子。下面是核聚变中一些常见的同位素: 氕是带一个质子而没有中子的氢同位素。它是氢的最常见的一种形式,也是宇宙中最普遍的元素。
氘是带一个质子和一个中子的氢同位素。它不具有放射性,可从海水中提取。
氚是带一个质子和两个中子的氢同位素。氚具有放射性,半衰期约为10年。氚不会自然形成,但用中子轰击锂可产生氚。
氦3是带有两个质子和一个中子的氢同位素。
氦4是氦在自然界中最为普遍的一种形式,它带有两个质子和两个中子。
目前的核反应堆利用核裂变来产生能量。在核裂变中,能量是通过一个原子分裂为两个原子来释放的。在传统的核反应堆中,铀的重原子在高能中子的轰击下发生裂变,这会生成巨大的能量,同时产生长期的辐射和放射性废物(详见核电站工作原理)。
核聚变的能量是通过两个原子合并为一个原子而产生的。在核聚变反应堆中,氢原子发生聚变,进而形成氦原子、中子,并释放巨大的能量。氢弹和太阳的能量就是靠这种反应提供的。与核裂变相比,核聚变所产生的能量更加清洁、安全、高效,其能量来源也更为丰富。
核聚变反应分为多种类型。其中大多数都涉及氢的同位素氘和氚:
质子-质子链——这一序列是太阳等恒星中最主要的核聚变反应模式。 两对中子形成两个氘原子。 每个氘原子与一个质子结合,生成一个氦3原子。 两个氦3原子结合,生成不稳定的铍6。 铍6衰变为两个氦4原子。
这些反应会生成高能粒子(质子、电子、中子、正电子),并放出辐射(光线、伽马射线)。
氘-氘反应——两个氘原子结合,生成一个氦3原子和一个中子。
氘-氚反应——一个氘原子和一个氚原子结合,生成一个氦4原子和一个中子。其中大部分能量以高能中子的形式释放。
从概念上讲,利用反应堆中的核聚变十分容易。但为了让这一反应以可控、无害的方式进行,科学家们历经周折。为了了解其中的缘由,我们需要先看一下发生核聚变的必要条件。
发生核聚变的条件
当氢原子聚合时,它们的原子核必须结合在一起。然而,由于每个原子核中的质子都带有相同的电荷(正电),因而会互相排斥。如果您曾试着将两块磁铁放在一起并感到它们互相推开,则意味着您已亲身体验了这一原理。
若要实现核聚变,需要创造一些特殊的条件来克服这种排斥力。下面是发生核聚变的一些必要条件:
高温——高温可为氢原子提供足够的能量,以克服质子之间的电荷排斥。 核聚变需要的温度约为1亿开(约是太阳核心温度的六倍)。 在这样的高温下,氢的状态为等离子体,而不是气体。等离子体是物质的一种高能状态,其中所有电子都从原子中剥离出来,并可以自由移动。 太阳的高温是由重力压缩核心的巨大质量而产生的。我们要制造出这样的高温,就必须利用微波、激光和离子粒子的能量。
高压——压力可将氢原子挤在一起。氢原子之间的距离必须在1x10-15米以内,才能进行聚合。 太阳利用其质量和重力将核心内的氢原子挤压在一起。 我们要将氢原子挤压在一起,必须使用强大的磁场、激光或离子束。
借助目前的技术,我们只能实现发生氘-氚聚变所需的温度和压力。氘-氘聚变需要的温度更高,这种温度有可能在将来实现。基本上,利用氘氘聚变会更加方便,因为从海水中提取氘比从锂中提取氚要更加容易。另外,氘不具有放射性,而且氘氘反应可释放更多的能量。
核聚变反应堆:磁约束
有两种方法可实现发生氢聚变所需的温度和压力:
磁约束使用磁场和电场来加热并挤压氢等离子体。法国的ITER项目使用的就是这种方法。 惯性约束使用激光束或离子束来挤压并加热氢等离子体。在美国劳伦斯利弗莫尔实验室的国家点火设施中,科学家们正在对这种试验方法展开研究。
我们首先探讨磁约束。其工作原理如下:
加速器释放出微波、带电粒子束和中性粒子束,用于加热氢气的气流。在高温下,氢气从气态变为等离子体。这种等离子体受到超导磁体的挤压,进而发生聚变。在用磁场约束等离子体时,最有效的磁体形状是面包圈形(即环形)。

等离子体环形室
采用这种形状的反应堆称为Tokamak。ITER Tokamak是一个独立式反应堆,其部件都装在不同的盒子中。进行维护时,工作人员可以方便地插入和拔出这些盒子,而不必拆开整个反应堆。该Tokamak的等离子体环形室将采用2米的内半径和6.2米的外半径。
磁约束:ITER示例
ITER Tokamak反应堆的主要组件包括:

ITER Tokamak
真空室——用于盛放等离子体,并将反应室置于真空中 中性束注入器(离子回旋系统)—— 将加速器释放的粒子束注入等离子体中,以便将等离子体加热到临界温度 磁场线圈(极向环形)——用磁场来约束、定型和抑制等离子体的超导磁体 变压器/中央螺线管——为磁场线圈供电 冷却设备(冷冻机、低温泵)——用于冷却磁体 包层模块——由锂制成,用于吸收核聚变反应中的热量和高能中子 收集器——排出核聚变反应中的氦产品
下面是磁约束核聚变过程的作用机制:

磁约束核聚变过程
核聚变反应堆加热氘和氚燃料的气流,使之形成高温的等离子体。接下来,反应堆对等离子体施加压力,继而发生聚变。 启动核聚变反应所需的电能约为70兆瓦特,但该反应生成的电能约为500兆瓦特。 核聚变反应将持续300到500秒(最终将形成持续的核聚变反应)。
等离子体反应室外部的锂包层将吸收核聚变反应中释放的高能中子,从而产生更多的氚燃料。在高能中子的作用下,这些包层也会被加热。 水冷回路将热量转移至热交换器,最终形成蒸气。 蒸气驱动电涡轮发电。 蒸气将被重新压缩成水,以便让热交换器吸收反应堆中的更多热量。
起初,ITER Tokamak将测试建造持续核聚变反应堆的可行性,其最终将变为一座测试核聚变发电厂。
核聚变反应堆:惯性约束
在美国劳伦斯利弗莫尔实验室的国家点火设施(NIF)中,科学家们正在试验用激光束来诱发聚变。在NIF设备中,192条激光束将聚焦于一个直径为10米的靶室上的一点,这个靶室称为黑体辐射空腔。根据科学和工程百科全书,黑体辐射空腔是指“腔壁与腔内的辐射能量达到平衡的腔”。

惯性约束核聚变过程
在靶室内部的焦点上,将有一个豌豆大小的氘-氚粒状物,其外侧包有一个小型塑料圆筒。激光的能量(180万焦)将加热圆筒,并生成X射线。 在高温和辐射的作用下,粒状物将转化为等离子体,且压力不断升高,直至发生聚变。核聚变反应寿命很短,大约只有百万分之一秒,但它释放的能量是引发核聚变 所需能量的50到100倍。在这种类型的反应堆中,需要相继点燃多个目标,才能产生持续的热量。据科学家估计,每个目标的成本可控制在0.25美元左右, 从而大大降低了核电厂的成本。

核聚变点火过程
与磁约束核聚变反应堆类似,惯性约束核聚变中的能量也将被转移至热交换器生成蒸气,进而通过蒸气来发电。
核聚变的应用
核聚变的主要应用是发电,它可为后代提供安全、清洁的能源,与目前的核裂变反应堆相比,它具有以下几个优点:
燃料供应充足——氘可直接从海水中提取,大量的氚可从核反应堆本身的锂中获得,而锂又广泛存在于地壳中。核裂变所需的铀非常稀少,必须经过开采和浓缩后才能用于反应堆。 安全——与核裂变反应堆相比,核聚变所需的燃料较少。这样便避免了不可控的能量释放。与人类生存的自然界相比,大多数核聚变反应堆释放的辐射并不算多。 清洁——核电厂(无论是裂变还是聚变)不靠燃烧发电,不会造成空气污染。 核废物更少——核聚变反应堆不像核裂变反应堆那样会生成大量的核废物,因而处理起来会更加容易。另外,核裂变所产生的废物属于武器级的核材料,而核聚变的废物则没有这样的危险。
目前,NASA正在研制一种小型的核聚变反应堆,用于为深空火箭提供动力。核聚变推进器具有无限的燃料供应(氢),其效率更高,可令火箭飞得更快。
冷核聚变1989年,美国和英国的研究人员宣称,他们在室温条件下建造了核聚变反应堆,而没有采用对高温等离子体进行约束的方 法。他们将用钯制成的电极置于盛有重水(氧化氘)的保温瓶中,然后为重水通上电流。这些研究人员指出,钯可以催化聚变,它能将氘原子间的距离拉近到足以发 生聚变的程度。但是,其他国家及地区的许多科学家并未能得到相同的结果。
2005年4月,冷核聚变取得巨大进展。美国加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA)的科学家利用热电晶体引发了核 聚变。他们将晶体放入盛有氢的小型容器中,并对晶体加热,进而形成一个电场。接下来,他们将一根金属线插入容器来吸收电荷。聚焦的电场对带正电荷的氢原子 核产生极强的排斥力,这使得原子核快速挣离金属线,并发生相互碰撞,其力度足以实现聚合。这一反应是在室温条件下进行的。有关更多信息,请参见冷温度的产 物:真正的冷核聚变(csmonitor.com)。