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浅谈核聚变 徐颖 外国语学院 英语（国际商务） 【摘 要】：聚变反应堆一旦成功，则可能向人类提供最清洁而又是取之不尽的能源。 【关键词】：核聚变 高温 高压 聚合 一、 定义 核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。原子核中蕴藏巨大的能量，原子核的变化（从一种原子核变化为另外一种原子核）往往伴随着能量的释放。由轻的原子核变化为重的原子核，如太阳发光发热的能量来源。很多人都以为发生聚合反应既是化学变化，其实，核聚变是物理变化。 二、 核聚变的类型 D（氘）和T（氚）聚变会产生大量的中子，而且携带有大量的能量（14.1）。中子对于人体和生物都非常危险。 氘氚聚变算“第一代”聚变 “第二代”聚变是氘和氦3反应。这个反应本身不产生中子，但其中既然有氘，氘氘反应也会产生中子，可是总量非常非常少。 “第三代”聚变是让氦3跟氦3反应。这种聚变完全不会产生中子。这个反应堪称终极聚变。 三、优劣 第一代”聚变。优点是燃料无比便宜，缺点是有中子。 聚变反应中子的真正麻烦之处在于中子可以跟反应装置的墙壁发生核反应。用一段时间之后就必须更换，很费钱。而且换下来的墙壁可能有放射性（取决于墙壁材料的选择），成了核废料。还有一个不好的因素是氚具有放射性，而且氚也可能跟墙壁反应。 总的来说，核聚变的优势是： （1）核聚变释放的能量比核裂变更大 （2）无高端核废料，可不对环境构成大的污染 （3）燃料供应充足，地球上重氢有10万亿吨（每1升海水中含30毫克氘，而30毫克氘聚变产生的能量相当于300升汽油） 劣势是： （1）反应要求极高，技术要求极高。 （2）从理论上看，用核聚变提供部分能源，是非常有益的。但目前人类还没有办法，对它们进行较好的利用。 四、可控核聚变方式 超声波核聚变、激光约束（惯性约束）核聚变、磁约束核聚变 （一）、可控核聚变的发生条件 产生可控核聚变需要的条件非常苛刻。我们的太阳就是靠核聚变反应来给太阳系带来光和热，其中心温度达到1500万摄氏度，另外还有巨大的压力能使核聚变正常反应，而地球上没办法获得巨大的压力，只能通过提高温度来弥补，不过这样一来温度要到上亿度才行。核聚变如此高的温度没有一种固体物质能够承受，只能靠强大的磁场来约束。此外这么高的温度，核反应点火也成为问题。不过在2010年2月6日，美国利用高能激光实现核聚变点火所需条件。中国也有“神光2”将为我国的核聚变进行点火。 （二）、核聚变的反应装置 目前，可行性较大的可控核聚变反应装置就是托卡马克装置。托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字Tokamak 来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。 相比其他方式的受控核聚变，托卡马克拥有不少优势。1968年8月在苏联新西伯利亚召开的第三届等离子体物理和受控核聚变研究国际会议上，阿齐莫维齐宣布在苏联的T-3托卡马克上实现了电子温度 1 keV，质子温度 0.5 keV，nτ=10的18次方m-3.s，这是受控核聚变研究的重大突破，在国际上掀起了一股托卡马克的热潮，各国相继建造或改建了一批大型托卡马克装置。其中比较著名的有：美国普林斯顿大学由仿星器-C改建成的 ST Tokamak，美国橡树岭国家实验室的奥尔马克，法国冯克奈-奥-罗兹研究所的 TFR Tokamak，英国卡拉姆实验室的克利奥（Cleo），西德马克斯-普朗克研究所的 Pulsator Tokamak。 我国也有两座核聚变实验装置。2006年9月28日，中国耗时8年、耗资2亿元人民币自主设计、自主建造而成的新一代热核聚变装置EAST首次成功完成放电实验，获得电流200千安、时间接近3秒的高温等离子体放电。EAST成为世界上第一个建成并真正运行的全超导非圆截面核聚变实验装置。 五、核聚变与恒星发光原理 当四个氢原子在高温下靠得很近时，四个质子会撞到一起时，其中两个会发生衰变，释放出两个反中微子和正电子，变成中子。这两个正电子会与原子核外电子相互湮灭，形成两个光量子；剩下的一共有两个中子、质子和电子，恰好形成一个氦原子。绝大多数恒星都是通过质子的衰变而发出光芒，这在日常生活中也用途很大。 恒星为什么能够发光呢？ 恒星之所以能够发光，是因为恒星内部在不停的进行剧烈的核聚变反应，它所发出的星光就是核聚变的产物，是来自恒星内部的电磁辐射。 六、原理 在这里我简单概括一下： 氢有三种同位素：氕（氢1）、氘（氢2）、氚（氢3），我们平时见到的氢以氕为主，含少量氘；氦也有氦3和氦4两种同位素，氦3不稳定，一般见到的是氦4。 氢聚变为氦的反应可以有多种形式：4个氕聚变为一个氦4；2个氘聚变为一个氦4； 一个氘 + 一个氚 = 一个氦4 + 一个中子 其实聚变过程中还有其它粒子产生。总之要聚变成氦4，至少要有4个核子，是质子和中子无所谓，因为质子和中子在一定条件下是可以互相转化的。如果聚变中的核子超过4个了，多余的通常会以中子形式释放出来。由两个质子加两个中子组成的氦4核，比两个自由的质子及两个自由的中子质量之和要小，这就是质量亏损的来源，核聚变的巨大能量就来源于这个质量差。聚变后，每个质子和中子的质量都减小了。正如这样一个问题，当一人从高处跳到地面，如果释放的能量通过辐射发散到外太空，你可以发现地球和那个人的质量都有微小的下降。其实质量就是能量，能量就是质量。能量有两种表现形式：一种表现形式即质量，另一种表现形式则为静质量为0的光子或引力子，当能量以有质量的粒子形式表达时，它同时具备了时间的性质，它的速度永远小于光速；当能量以静质量为0的光子或引力子形式表达时，它就只能以光速运动，同时失去了时间性质换句话说，能量——质量——时间有着某种神秘的联系。所以，势能就是结合能来源，或者结合能就是势能的释放。 总论： 化石能源消耗过程中产生的环境污染及 “温室效应”迫使人们不断探索开发利用较为清洁的核能。而更为安全、清洁、具有可持续性的核聚变能的利用为最终满足人类发展中的能源需求提供了一个有效途径。核聚变是集等离子体物理与核聚变工程于一体的巨大的科学技术知识体系。经过五十余年人类共同的努力，现在到了展望其应用的时代。为了实现这个伟大目标，人类还要付出巨大的努力。科学家们一直都在梦想能够成功利用核聚变产生的能量为人类造福。聚变反应堆一旦成功，则可能像人类提供最清洁而又是取之不尽的能源。 参考文献: [1]美·查尔斯·赛费《瓶中的太阳》(核聚变的怪异历史) [2]朱海峰（编译）《核聚变技术》 [3]麦克拉肯 《宇宙能源-聚变》 [4]王建儒 牛芳 《核聚变的发展及前景》[5]邱励俭《聚变能及其应用》 本文来源：https://www.dywdw.cn/4314e9f0941ea76e58fa04f0.html
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2022-07-11
