浅谈惯性约束核聚变_张杰
可控核聚变磁约束和激光约束
可控核聚变磁约束和激光约束
可控核聚变是一种有前途的能源技术，它利用核聚变反应产生大量的能量。
目前，实现可控核聚变的主要方法有磁约束和激光约束两种。
磁约束是通过磁场将等离子体约束在一定的空间内，使其达到高温高压的状态，从而引发核聚变反应。
目前比较成熟的磁约束装置是托卡马克，它利用强大的磁场将等离子体约束在环形真空室内，通过加热和压缩等离子体来实现核聚变反应。
磁约束的优点是技术相对成熟，已经实现了长时间的等离子体约束和聚变反应。
激光约束是利用高功率激光束将等离子体加热到极高温度，从而引发核聚变反应。
目前比较典型的激光约束装置是惯性约束聚变，它利用高功率激光束将燃料球加热到数千万度的高温，使其发生内爆，从而实现核聚变反应。
激光约束的优点是反应条件更为苛刻，可以实现更高的能量增益和更短的聚变时间。
两种方法各有优缺点，目前都还面临着一些技术挑战。
磁约束需要解决磁场的稳定性、等离子体的控制和加热等问题，而激光约束则需要解决高功率激光的产生、传输和聚焦等问题。
未来，可控核聚变的发展可能需要综合运用两种方法的优点，以实现更高效率和更稳定的聚变反应。
理解核聚变的基本原理和可行性
理解核聚变的基本原理和可行性核聚变是一种在太阳和恒星中发生的能量释放方式，也是人类一直追求的清洁、高效、可持续能源的梦想。
理解核聚变的基本原理和可行性对于探索未来能源的发展和利用具有重要意义。
一、基本原理核聚变是指将两个轻元素的原子核融合成一个更重的原子核释放出能量。
这需要克服原子核之间的库仑斥力，即带正电的原子核之间相互排斥的力。
要实现核聚变，需要提供足够的温度和压力，使原子核能够克服库仑斥力靠近到足够接近的距离，进而发生核反应。
二、可行性目前，人类主要关注的核聚变方法是利用重氢同位素氘和氚的聚变反应。
相比于核裂变，核聚变具有更多的优势，例如资源丰富、产生的废料少、不产生放射性物质等。
虽然核聚变的实现还面临许多挑战，但科学家们正不断寻求解决问题的方法，并取得了一些重要的进展。
1. 磁约束聚变（磁封闭聚变）磁约束聚变是通过利用强大的磁场将等离子体约束在环形容器中进行，使等离子体稳定地存在并保持高温高密度，从而实现核聚变反应。
国际上最有代表性的磁约束聚变实验装置是ITER项目，该项目旨在证明聚变在技术上的可行性。
2. 激光惯性约束聚变激光惯性约束聚变采用激光束聚焦到高温高密度的靶点上，产生极短时间内的超高温高压条件，从而使得核聚变反应发生。
这种方法在实验阶段已经取得了一些成功，但要实现经济可行的商业运作仍面临挑战。
三、关键技术挑战要实现核聚变的可控和经济利用，仍需要攻克一些关键的技术挑战。
1. 等离子体的长时间稳定性在核聚变反应中，需要保持等离子体在高温高密度环境下的长时间稳定，这对于反应持续性和能量输出至关重要。
科学家们正在研究和开发新的等离子体控制方法，以实现稳定的等离子体状态。
2. 材料与辐射损耗高温、高能粒子的辐射和等离子体与壁面之间的相互作用会对材料造成损伤，这对于反应堆的长期运行产生不利影响。
材料的选择和设计是解决这一问题的关键所在。
3. 能量输出与热管理核聚变释放的巨大能量需要有效的收集和转换成电能或其他形式的能量。
可控核聚变引力约束
可控核聚变引力约束引言核聚变是一种在极高温和压力下将轻元素融合成重元素的核反应过程。
在这个过程中，大量的能量会释放出来。
然而，由于核聚变的反应条件非常苛刻，迄今为止在地球上还没有成功实现可控核聚变。
本文将探讨可控核聚变引力约束的相关问题，包括不同的引力约束方法和其优缺点，以及未来的发展方向。
可控核聚变引力约束方法1. 磁约束磁约束是目前最常用的核聚变引力约束方法之一。
它使用强磁场将热等离子体困在一个磁场容器中，使其保持稳定并防止热等离子体接触容器壁。
这种方法可以实现高密度和高温度的等离子体，但需要非常强大的磁场并且对容器材料有一定的要求。
2. 惯性约束惯性约束是另一种常用的核聚变引力约束方法。
它利用高能量激光或粒子束将燃料加热和压缩为高密度高温的等离子体，然后将其包裹在固体或液体壳体中。
这种方法具有较短的时间尺度和较高的温度和密度，但需要大量的能量输入和高精度的控制。
引力约束方法的优缺点比较磁约束•优点：–可以实现高密度和高温度的等离子体；–对容器壁的接触有较好的约束效果；–磁场容器结构相对简单。
•缺点：–需要非常强大的磁场，能源消耗较大；–对容器材料有一定的要求，容器壁可能受到磁场的侵蚀；–控制磁场的稳定性和均匀性较为困难。
惯性约束•优点：–可以实现高温高密度的等离子体，并且具有较短的时间尺度；–控制精度较高，加热和压缩过程可以精确控制。
•缺点：–需要大量的能量输入，能源消耗较大；–高能量激光或粒子束系统复杂，成本较高；–粒子束在等离子体中传输的损失较大。
可控核聚变引力约束的挑战和发展方向1. 研发更强大的磁场和更先进的磁约束技术目前，磁约束在核聚变研究中已经取得了很大的进展。
然而，为了进一步提高核聚变性能，我们需要研发更强大的磁场和更先进的磁约束技术。
例如，超导磁体的发展可以大大增加磁场强度，并且需要进一步改进磁场容器的设计。
2. 提高惯性约束的能量效率惯性约束目前面临的最大挑战之一是能量效率较低。
核聚变 强磁场技术
核聚变强磁场技术
核聚变是一种能源获取方式，其基本原理是使两个轻原子核结合成一个更重的原子核，期间会释放出大量的能量。
为了实现核聚变，需要利用强磁场技术进行约束和控制。
磁约束核聚变是实现核聚变的一种主要方法，它利用强磁场将氘氚气体约束在一个特殊的磁容器中并加热至数亿摄氏度的高温，以实现聚变反应。
托卡马克（Tokamak）是实现磁约束核聚变的一个典型装置，它依靠强磁场将超热电离气体或等离子体困住并挤压在一个真空室中，这个真空室通常呈甜甜圈形状。
其中，超导托卡马克使得磁约束位形能连续稳态运行，被视为探索和解决未来聚变反应堆工程及物理问题的最有效的途径。
惯性约束核聚变则是另一种实现核聚变的方法，它利用超高强度的激光在极短的时间内辐照氘氚靶来实现聚变。
这种方法的优点是设备相对较小，开/关火控制性能较好，但其缺点是需要消耗大量能源来产生激光用于点火，并且燃料靶丸的制造成本较高。
核聚变的几种技术路线
核聚变的几种技术路线嘿，咱今儿个就来聊聊核聚变的那几种技术路线哈！你说这核聚变，那可真是厉害得很呐！就好像是一个超级大宝藏，等着我们去挖掘。
那都有啥技术路线呢？先来说说磁约束核聚变吧。
这就像是给那些乱跑的粒子们套上了一个无形的缰绳，让它们乖乖地在特定的区域里活动。
通过强大的磁场，把高温高密的等离子体约束起来，让它们持续发生聚变反应。
这不就像是孙悟空被如来佛祖的手掌给困住了嘛，想跑也跑不了，只能乖乖地在那发挥作用。
然后呢，还有惯性约束核聚变。
这就好像是短跑比赛，在一瞬间让粒子们达到极高的速度和能量，然后引发聚变。
就像那子弹，“嗖”的一下就飞出去了，产生巨大的能量。
你想想，这得有多厉害呀！再讲讲激光核聚变。
这就如同用无数道激光束编织成了一张大网，把那些要聚变的物质紧紧地包裹起来，然后促使它们发生神奇的变化。
那场面，就好像是无数的光线在跳舞，最后跳出了核聚变这个精彩的节目。
每种技术路线都有它独特的魅力和挑战呢！磁约束需要超强的磁场，这可不是随便就能搞出来的。
惯性约束呢，对瞬间的能量控制要求极高，稍微偏差一点可能就达不到效果啦。
激光核聚变呢，那得有超级厉害的激光技术支持才行呀！这就好比是攀登高峰，每条路都有不同的风景和困难。
有的路陡峭险峻，有的路曲折迂回，但只要我们有决心，有毅力，总能找到通往山顶的路，不是吗？核聚变的技术路线就像是摆在我们面前的一道道谜题，等着我们去解开。
我们要像探险家一样，勇敢地去尝试，去探索。
也许在这个过程中会遇到很多困难和挫折，但那又怎样呢？我们不能因为害怕就不去尝试呀！我们的未来需要核聚变这样的强大能源，它能给我们带来无尽的可能。
想象一下，如果我们成功地掌握了核聚变技术，那我们的生活将会发生怎样翻天覆地的变化呀！家里的电器可以随便用，不用担心电费啦；交通工具都用上清洁高效的核聚变能源，那速度，那环保程度，简直绝了！所以呀，我们得加把劲，好好研究这些技术路线。
让我们一起为了实现核聚变的梦想而努力吧！这可不是开玩笑的，这是关乎我们未来的大事呀！相信在不久的将来，我们一定能够攻克这些难题，让核聚变为我们的生活带来巨大的改变！。
如何实现可控核聚变
如何实现可控核聚变
实现可控核聚变是一项复杂而挑战性的任务，目前科学家们正在不断探索和研究。
可控核聚变是通过控制高温等离子体的条件，使氢同位素在核反应中融合并释放巨大能量的过程。
这个过程类似于太阳和恒星的能源来源，但是要在地球上实现可控核聚变需要解决许多技术难题。
当前最有希望实现可控核聚变的方法是磁约束核聚变，主要有以下几种技术：
1. 托卡马克：托卡马克是一种磁约束核聚变装置，利用强大的磁场将高温等离子体约束在磁场中心的空间中，防止等离子体接触到容器壁并损失能量。
国际热核聚变实验堆（ITER）就是采用托卡马克技术的大型核聚变实验装置。
2. 磁镜机：磁镜机利用复杂的磁场几何形状，将高温等离子体保持在中心区域。
这种技术也在一些实验中被研究和尝试。
3. 等离子体聚束装置：该技术利用多个等离子体束将高温等离子体聚束在一起，形成稳定的聚变状态。
4. 惯性约束核聚变：这种方法利用激光或粒子束等高能束流将氢同位素微团推向高温和高压条件，使得核聚变反应发生。
目前，科学家们在各种实验装置中进行着可控核聚变的研究，但要实现可控核聚变仍然需要克服许多技术和工程上的挑战。
一旦成功实现可控核聚变，它将成为一种清洁、高效、可持续的能源来源，为人类解决能源问题提供巨大的潜力。
简述核聚变的原理及应用前景
简述核聚变的原理及应用前景核聚变是一种利用高温和高压条件下，将轻元素（比如氢、氦等）融合成重元素的核反应过程。
与核裂变相比，核聚变没有产生大量的放射性废料，且能源密度更高。
因此，核聚变被广泛认为是未来清洁能源的希望，并且具有广阔的应用前景。
核聚变的原理是通过提供足够的能量，使得轻元素的原子核能够克服库仑斥力，靠近到足够接近的程度，从而发生核反应。
在这个过程中，原子核的质量会发生改变，释放出巨大的能量。
首先，核聚变需要高温条件来提供克服库仑斥力所需的能量。
在太阳内部，核聚变通过温度高达1500万度的等离子体，将氢聚变为氦。
炉壁以外的等离子体里，气体的原子核以极高速撞击，使得氢原子核融合成氦原子核，同时释放出大量的能量。
其次，核聚变还需要高压条件来保持气体原子核的高能态分子。
目前，几乎所有的核聚变反应都需要通过磁约束或惯性约束来维持高压环境。
磁约束利用强大的磁场来对等离子体中的原子核进行约束，保持其聚变过程。
而惯性约束则是利用激光或离子束等高能粒子将原子核加热并压缩，使其发生聚变。
另一方面，核聚变还具有广泛的应用前景。
核聚变技术可以用于产生大量电力，解决能源危机和应对气候变化。
同时，核聚变还可以用于航天技术，提供可靠且持久的动力源。
此外，核聚变也可以用于制备重元素，如锂、硼等材料的合成，满足各种工业需求。
此外，核聚变还可以用于核医学领域，如产生各种同位素的放射性同位素分析等。
目前，世界各国都在积极研发核聚变技术，以实现清洁可持续能源的供应。
国际热核聚变实验反应堆（ITER）是最大规模的核聚变研究项目，其目标是通过超导磁体和等离子体加热等技术实现核聚变反应，并证明核聚变技术的可行性。
此外，许多国家也在积极开展核聚变研究，如美国、中国、俄罗斯等。
虽然核聚变技术仍面临诸多挑战，如高温等离子体的稳定性、材料的耐辐射性等问题，但是人们对核聚变技术的研发和应用持有乐观态度，并期待未来能够实现核聚变能源的商业化和消费级应用。
可控核聚变的技术路线
可控核聚变的技术路线人类对于能源的需求从未像今天这样迫切。
随着传统能源的逐渐消耗以及环境问题的日益严峻，寻找一种清洁、高效、可持续的能源成为了科学界和全社会的共同追求。
在众多的新能源研究领域中，可控核聚变以其巨大的潜力吸引了无数科学家的目光。
可控核聚变，简单来说，就是模仿太阳内部的核聚变反应，在地球上实现可控的能量输出。
太阳通过氢原子核的不断聚变产生巨大的能量，而我们要做的就是在实验室中创造类似的条件，让核聚变反应稳定、持续地进行，并将产生的能量有效地利用起来。
实现可控核聚变的技术路线众多，目前主要有磁约束核聚变和惯性约束核聚变两种。
磁约束核聚变是当前研究最为深入、最有希望实现商业应用的技术路线之一。
其基本原理是利用强大的磁场将高温等离子体约束在一个特定的空间内，使其达到核聚变所需的条件。
在磁约束装置中，最具代表性的是托卡马克装置。
托卡马克装置就像是一个巨大的环形“磁瓶”，内部充满了高温等离子体。
通过精心设计的磁场结构，等离子体被限制在这个“磁瓶”中不断运动和加热，当温度和密度达到一定程度时，核聚变反应就会发生。
为了实现磁约束核聚变，科学家们需要解决一系列的技术难题。
首先是高温问题，核聚变需要极高的温度，通常要达到上亿摄氏度。
在这样的高温下，物质会变成等离子体状态，如何有效地加热和约束等离子体是关键。
其次是磁场的稳定性和精确控制，磁场的任何微小变化都可能导致等离子体的逃逸或不稳定，影响核聚变反应的进行。
此外，还有等离子体与器壁的相互作用、杂质控制、能量输出等诸多问题需要攻克。
惯性约束核聚变则是另一种有潜力的技术路线。
它的原理是利用高功率的激光或粒子束在极短的时间内对含有核聚变燃料的靶丸进行均匀、对称地照射，使靶丸表面迅速蒸发并向内压缩，形成高温高压的环境，从而引发核聚变反应。
惯性约束核聚变的关键在于激光或粒子束的能量和聚焦精度。
要在瞬间产生足够强大的能量，并将其精确地聚焦在靶丸上，是一项极具挑战性的任务。
核聚变实验进展
核聚变实验进展核聚变是一种利用重氢同位素（氘）和轻氢同位素（氚）在高温高压条件下融合产生能量的物理现象。
与目前广泛使用的核裂变不同，核聚变是一种更清洁、高效、安全的能源形式。
近年来，核聚变实验取得了一系列重要进展，为实现可控核聚变提供了新的希望。
一、磁约束聚变实验磁约束聚变实验是目前最主要的核聚变实验之一。
通过利用强磁场约束热离子等离子体，使其保持在高温、高密度条件下，实现聚变反应。
目前最为著名的磁约束聚变实验装置是国际热核聚变实验堆（ITER），该实验堆由欧洲、美国、中国、日本等国合作共建，预计于2035年左右开始运行。
二、惯性约束聚变实验惯性约束聚变实验主要利用激光或粒子束等能量源对聚变材料进行定向加热，从而形成高温、高压的环境。
在这种情况下，聚变材料中的离子产生高能量运动，进而引发核聚变反应。
惯性约束聚变实验是一种相对较新的实验方法，在美国国家点火实验装置（NIF）等设施中得到了充分的研究和测试。
三、核聚变实验进展1. ITER实验堆的建设与进展ITER实验堆是世界上迄今为止规模最大、最先进的磁约束聚变实验设施。
该实验堆的建设旨在验证核聚变的可行性，并为未来商业化核聚变电站的设计和建设提供重要参考。
目前，ITER实验堆的建设进展顺利，各合作国已经开始制造和测试实验堆的各个组成部分。
2. 激光聚变技术的突破激光聚变技术是惯性约束聚变实验的重要手段之一。
近年来，科学家们在激光聚变技术方面取得了重要突破。
例如，美国国家点火实验装置成功实现了通过激光加热聚变材料，并在实验中产生了大量能量输出的突破。
这种突破为未来实现可控核聚变提供了新的途径和方法。
3. 材料科学的进展与突破在核聚变实验中，材料科学扮演着重要的角色。
只有材料能够承受高温、高压等极端环境，才能确保聚变反应的持续进行。
近年来，材料科学在核聚变领域取得了一系列重要的进展和突破。
新材料的研发和应用将进一步推动核聚变技术的发展。
四、展望与挑战尽管核聚变实验取得了一系列重要进展，但要实现可控核聚变仍然面临许多挑战。
磁约束核聚变
磁约束核聚变我们知道，自然界存在着两种类型的聚变：一种是“热核”聚变，另一种是“电核”聚变。
但是，当物质处于高温时，发生的聚变并不稳定，反应过程也比较复杂。
因此，只有处于超高温（ 4000万摄氏度），压力达到100万个大气压（相当于100亿个大气压）以上的情况下，发生的聚变才是稳定的，我们把这样的现象称为“磁约束”。
由于巨大的高温和压力，磁约束反应堆需要的材料必须满足两个条件：第一，要具有极强的磁场和磁场梯度；第二，要具有非常高的比热容。
世界上第一座磁约束反应堆就建在法国的郎斯，它的容量为500千瓦。
一直到20世纪70年代末期，世界上所有研制出来的核聚变装置都属于“热核”，即利用燃料发生裂变释放出来的热量引起核聚变反应。
2001年，中国开始筹划建设第一座超导托卡马克实验装置——ITC-MK-A，其总投资将近2亿美元，占地面积超过13万平方米，是一座占地面积大、结构复杂的巨型反应堆。
在2004年8月的国际热核聚变实验堆（ ITER）计划中，中国获得了在ITC-MK-A建造和运行国际实验堆的合作权，这也标志着中国在国际热核聚变实验堆项目上迈出了重要一步。
原子核的稳定结构被打破后，要让它们尽快聚集成新的原子核，除了给它提供足够的能量外，还必须让它产生强烈的碰撞，而且越多越好。
超导托卡马克是一种全超导的环形容器，容器内部有数百根通电的铜导线组成。
容器内的物理条件与磁体外部十分相似，实验时，强大的电流会使托卡马克产生巨大的环形磁场，磁场又会进一步产生电场，从而形成超强的电磁场，环形电磁场形成了巨大的磁场梯度，将束缚住原子核，并加速其运动，聚变反应就这样发生了。
在最初阶段，托卡马克实验装置没有安装超导磁体，整个装置主要依靠惯性约束核聚变，核心部位则采用超导线圈，其重量只有惯性约束的几十分之一。
10年之后，中国在ITC-MK-A中首次成功地实现了商用磁约束核聚变反应。
这一事实证明了中国已经拥有了高端先进的磁约束核聚变技术，从此拉开了我国全面参与国际热核聚变实验堆的序幕。
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零,也即将磁场零点定在ν=1/2处,那么所有的FQHE态看起来和IQHE态一样.例如,ν=1/2和ν=1/3之间的磁场间隔ΔB正好与ν=1所需的磁场一样,也就是说,经平移以后ν=1/3态就成了ν=1态.同样ν=2/5态成为ν=2态,ν=3/7态成为ν=3态.这就是说,原来电子的FQHE态变成了组合费米子的IQHE态.组合费米子模型在FQHE和IQHE之间建立了十分直接的联系.6 组合费米子的有效质量众所周知,由IQHE的能隙 ωc= eB/m＊c可以直接计算出电子的有效质量m＊.那么从图11上的直线斜率也可以直接算出组合费米子的有效质量m＊cF1≈0.6me.它远大于电子在导带中的有效质量.但是事情并不那样十全十美.按说将图11中能隙外推到ν=1/2处应当为零,然而现在得到的却是一个负截距.实际上在IQHE效应中也遇到类似的情况.在实际样品中,受杂质、缺陷或者结构尺寸涨落的影响,朗道能级的展宽使整数填充因子处的朗道能隙间距减小,同样在B=0处出现一个负截距.根据上述类比,图11中在ν=1/2处负截距大小实际给出了组合费米子所受到的散射大小.至此,可以讲组合费米子是分数量子霍尔效应中的新粒子.Stormer认为,组合费米子的真实性一点不比超导中的库珀对差.
7 结束语鉴于量子霍尔效应涉及深奥的物理内涵,本文只是力图从物理图像的角度粗浅地介绍它的基本性质.特别是目前对FQHE态的研究仍在不断深入,本文所涉及的内容十分基础,不可能反映这方面研究工作的广度和深度.作者只希望借1998年诺贝尔物理学奖颁布之际,能使本刊读者对量子霍尔效应有一概括的了解.另一方面,由于本文是属知识介绍性的文章,因时间关系没有一一列出每项工作的有关文献,其目的只是想减小工作量.如有不妥之处,请予以谅解.
＊ 国家高技术惯性约束核聚变委员会资助项目 1998-11-19收到初稿,1998-12-10修回
浅谈惯性约束核聚变＊张 杰(中国科学院物理研究所,北京 100080)
摘 要 以煤、石油、天然气为代表的化石能源终将枯竭,基于核裂变反应的核裂变能源也由于安全性和核废料的处理等问题而不尽如人意.人类期待着新的能源.受控热核聚变反应能释放巨大的能量,而且由于这种能源干净、安全,且以用之不竭的海水作为原料,因此,受控热核聚变能是人类下一世纪的能源的主要希望所在.在地球上,主要有两种方法实现受控热核聚变反应:磁约束核聚变和惯性约束核聚变.文章通俗地介绍了惯性约束核聚变的基本原理和惯性约束核聚变研究的最新进展.关键词 惯性约束核聚变
·142·物理ANOVERVIEWOFINERTIALCONFINEMENTFUSIONZhangJie(InstituteofPhysics,TheChineseAcademyofSciences,Beijing 100080)
Abstract Thefossilfueleraisalmostover.Ifwecontinuetoburnfossilfuelssuchasoilornaturalgasforenergy,theywilllastonlyanotherfewhundredyears.Presentenergyusetrendsindi-catethatanenergyshortfallcouldarisemidwaythroughthe21stcenturyasfossilfuelsaredepleted.Tamingfusionwillprovideuswithavirtuallyinexhaustiblesourceofclean,accessibleenergy.Inthisarticleabriefoverviewofinertialconfinementfusionwithasumaryofrecentresearchresultswillbepresented.Keyword inertialconfinementfusion
1 引言宇宙的能量来自核聚变反应.太阳,还有许多恒星都是天然的核聚变能源,在太阳中发生的核聚变反应给整个世界和我们的日常生活提供了能量.人类社会运转所需要的煤、石油和天然气都是亿万年以前太阳与当时的植物相互作用的产物.在地球的沉积层中,埋藏着许多远古时代的生物遗体.在缺氧、泥沙层不断增厚、内部压力和温度不断增加的环境下,经过细菌的分解作用,形成了石油、煤和天然气等“化石”能
源.这些化石能源都是不能再生的.目前世界人口大约每40年翻一番,用电量也是每40年翻一番.到目前为止,人类已经用掉了地球上几乎一半的化石能源.如图1所示,按照目前人类对化石能源的要求来推算,在22世纪到23世纪这段时间,人类对化石能源的消耗将达到最大,与此同时,地球上开始出现这种化石能源供不应求的现象.到24世纪中叶,这种化石能源就会枯竭.这种严峻的现实使得人类对新能源的探索,已经从单纯的实验室中的研究项目变成了人类社会的强烈需求.
图1 人类社会发展对能量的需求和现有的化石能源的供给随时间的变化趋势(图中的估算的假设:世界人口稳定在100亿,每人年平均能耗为美国1985年水平的2/3)
尽管实际上世界上的所有能量都来自太阳的核聚变反应,习惯上,人们还是将“太阳能”专指把太阳光转化为热能和电能的技术.太阳能的确非常重要,但是太阳能不可能满足人类生
·143·28卷(1999年)3期活对能量的全部要求.目前的核电站所产生的能量来自核裂变反应.这种核裂变反应所提供的能量在下个世纪的生活中将会变得越来越重要.但是,这种核电站的安全性、对环境的污染以及核废料的处理等问题的确令人大伤脑筋.核裂变反应能是在重原子核受到中子的轰击裂变为轻原子核时所释放的能量,与此相反,核聚变反应能则是在轻原子核聚变为重原子核时所释放的能量.如图2所示,核聚变反应可以比核裂变反应释放大得多的能量.早在50年前,人们就认识到太阳和其他恒星的能量都来自核聚变反应.下面我们以氢原子的两种同位素氘和氚的聚变反应为例来说明核聚变反应.氘和氚都带正电荷,互相排斥.因此要想把它们聚合起来,需要用很大的能量才能克服它们相互间的斥力.这需要把核燃料加热到1亿度以上,以使氘和氚有足够大的动能,但即使这样,也还不足以发生核聚变.还需要将核燃料约束到足够高的密度,以使氘和氚有足够大的机会相撞以发生聚变.核聚变反应之前的反应物氘和氚的质量大于反应之后的产物———氦和中子的质量.根据爱因斯坦的质能关系E=mc2,
反应物与产物的质量差变成了聚变能(见图3).尽管在这个聚变反应中仅失去了0.38%的质量,但是在1g氘氚反应中失去的3.8mg的质量就相当于燃烧约1.08×104L油所释放的能量.
图2 核聚变反应与核裂变反应所释放能量的比较(核聚变反应所释放出的能量比核裂变反应所释放的能量要大得多)
图3 氘氚核聚变反应的示意图和氘氚核聚变反应质能平衡图[轻元素(如氘和氚)在高温、高压下发生核聚变反应变为较重的元素(如氦或α粒子),同时释放大量的能量(相当于燃烧石油所释放的能量的1百万倍).在聚变反应过程中所释放的能量来自核聚变反应中所失去的能量,0.02原子单位的质量(amu)变为17.6MeV的能量]
就单位质量而言,核聚变反应所释放的能量要比核裂变反应所释放的能量大得多.在图4中我们可以把核能与其他化石能源进行一下直观的比较.一个发电量为100万千瓦的火力发电厂每年的耗煤量大约为210万吨,相当于191列由110节货车车厢组成的火车的运量;同样的发电量,若用燃油则每年需1千万桶,相当于10艘超级油轮的运量.而对于核裂变发电厂来说,则需要30吨的二氧化铀作燃料,相当于1节货车车厢的运量;相同的电量对于核聚变发电厂来说,则仅需600公斤核燃料,这相当于1辆轻便客货两用汽车的运量.而且,
·144·物理由于受控核聚变能是干净、安全、经济的能源,所以人们将下一世纪的能源主要寄希望于核聚变反应上.氢弹爆炸所释放的威力巨大的能量就来自爆炸时的核聚变反应.然而,氢弹的爆炸是大规模的核能释放,无法人工控制.在地球上实现受控核聚变反应是半个世纪以来科学家们努力追求的目标.
图4 核能与其他化石能源的比较(1个100万千瓦发电站使用不同燃料时年消耗量的对比)
2 磁约束核聚变(MCF)和惯性约束核聚变(ICF)
目前,人们在实验室里研究核聚变反应主要采用磁约束和惯性约束两种方法(见图5).磁约束核聚变(magneticconfinementfu-sion,MCF)主要依靠强有力的磁场将低密度、高温度的等离子体约束足够长时间以使氘氚等离子体达到核聚变反应所需要的条件.经过几代科学家的努力,目前的磁约束实验装置已经分别可以将较低温度、低密度的等离子体约束足够长的时间或者在短时间内将等离子体加热,但是如何使磁约束实验装置中的等离子体在实现长约束时间的同时也达到核聚变反应所需要的高温,目前仍是一个极大的难题.惯性约束核聚变(inertialconfinementfu-sion,ICF)则是利用高功率激光束(或粒子束)均匀辐照氘氚等热核燃料组成的微型靶丸,在极短的时间里靶丸表面在高功率激光的辐照下会发生电离和消融而形成包围靶芯的高温等离子体.等离子体膨胀向外爆炸的反作用力会产生极大的向心聚爆的压力,这个压力大约相当于地球上的大气压力的十亿倍.在这么巨大的压力的作用下,氘氚等离子体被压缩到极高的密度和极高的温度(相当于恒星内部的条件),引起氘氚燃料的核聚变反应.人们希望能通过惯性约束核聚变(受控热核反应)来产生既干净又经济的能量.当把氢的同位素氘、氚加热到10keV时,它们就具有足够高的动能来穿透核的库仑势垒,从而引发核反应.与磁约束核聚变反应不同的是,惯性约束核聚变的等离子体并不需要任何的外力对其约束,而是依靠燃料自身的惯性,在高温、高压下,在氘氚燃料还没来得及飞散之前的短暂时间内引发聚变核反应.惯性约束核聚变(ICF)和磁约束核聚变(MCF)的共同点是它们都要求高达1亿度的反应温度.二者的不同在于:惯性约束核聚变等离子体的密度极高(1026cm-3),约束时间为纳
秒(10-9s)量级,与氢弹的热核反应的条件类似.而磁约束核聚变等离子体的密度则低得多,仅为1015cm-3的量级,因此,其约束时间必须长达秒的量级,以满足劳森判据(Lawsoncrite-·145·28卷(1999年)3期