能源核能結(jié)課論文-受控核聚變的研究發(fā)展(編輯修改稿)
2025-07-10 13:04 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 力。 圖 2 物質(zhì)的四種狀態(tài) 2） 點(diǎn)火問(wèn)題和材料問(wèn)題。要想啟動(dòng)核聚變反應(yīng)，需要 1億度的高溫環(huán)境。核聚變發(fā)生后，通過(guò)控制，它自身產(chǎn)生的能量可以維持反應(yīng)的進(jìn)行。首先，怎么樣產(chǎn)生 1億度的高溫，這已經(jīng)是一個(gè)很難的技術(shù)問(wèn)題。另一個(gè)就是材料問(wèn)題，什么材料能經(jīng)受得住 1億度的溫度。在約束等離子體時(shí)，需要強(qiáng)大的磁場(chǎng)。強(qiáng)大的磁場(chǎng)是由高電流產(chǎn)生的，這就要求所用的導(dǎo)體為超導(dǎo)材料，目前還沒(méi)有解決高溫超導(dǎo)材料的問(wèn)題。圖 3 列出了高溫超導(dǎo)體材料的研究，現(xiàn)在高溫超導(dǎo)體材料的最高臨界溫度 為 165K，還是很低。 4 圖 3 高溫超導(dǎo)材料發(fā)展 3） 中子的輻射問(wèn)題。氘和氚發(fā)生核聚變時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的中子。材料被中子輻射后，就會(huì)產(chǎn)生輻射問(wèn)題。而且這些中子會(huì)損壞反應(yīng)堆材料。這是必須考慮的輻射屏蔽問(wèn)題。 上面是受控核聚變面對(duì)的 3個(gè)大難題，當(dāng)然，受控核聚變面臨的技術(shù)問(wèn)題還不止這些。 3 磁約束核聚變 磁約束核聚變的大致過(guò)程為： 首先，在處于熱核反應(yīng)的超高溫度下，氘，氚等輕原子核和它們的自由電子形成了等離子體。然后再利用特殊形態(tài)的磁場(chǎng)將高溫等離子體進(jìn)行約束和壓縮，使它們達(dá)到受控核聚變的點(diǎn)火條件，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的核聚變 反應(yīng)。點(diǎn)火條件是指： 1)反應(yīng)堆的溫度高于 K810 ； 2)等離子體的密度要大于 2021 個(gè)每立方米； 3)約束的時(shí)間要大于 1s； 通過(guò)磁約束核聚變實(shí)現(xiàn)受控核聚變，是目前為止，人們投入最多，研究最深入的一種核聚變途徑。其中，托卡馬克裝置就是 磁約束核聚變中的一個(gè)重要角色。 托卡馬克裝置 托卡馬克（ Tokamak）是前蘇聯(lián)的庫(kù)爾恰托夫研究所的科學(xué)家阿莫維奇等人在上世紀(jì)50 年代發(fā)明的。它是一種利用磁約束實(shí)現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形容器。它的名字是由 4個(gè)單詞的首 2 位字母組成，即環(huán)形 (toroidal)、真空室(kamera)、磁 (mag)、線圈 (kotushka)。經(jīng)過(guò)了60 多年的努力，利用托卡馬克進(jìn)行可控的核聚變，是可行的。但是它的相關(guān)的結(jié)果都是以斷脈沖的形式產(chǎn)生的，與實(shí)際生活中連續(xù)運(yùn)行還是有較大的差距?，F(xiàn)在，超導(dǎo)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在了托卡馬克的線圈上了，這是受控核聚變的一個(gè)重大突破。目前，建造超導(dǎo)裝置進(jìn)行核聚變的研究已成為國(guó)際的一股熱潮。 托卡馬克裝置的工作原理 圖 4 托卡馬克裝置示意圖 圖 5 托卡馬克裝置的實(shí)物圖 從 4 和圖 5，可以看出，托卡馬克裝置的主體由 2 部分組成，即磁場(chǎng)系統(tǒng)和真空系統(tǒng)。 磁場(chǎng)系統(tǒng)有 2 個(gè)主要的作用?？v場(chǎng)線圈的主要作用是用來(lái)產(chǎn)生強(qiáng)大的縱向磁場(chǎng)，將加熱后的等離子體約束在真空管里面，使之能發(fā)生碰撞，進(jìn)而發(fā)生核聚變反應(yīng)。 聚變的第一步就是要使原料處于等離子態(tài)，等離子態(tài)是物質(zhì)的第四態(tài)。這種形態(tài)下的物質(zhì)是一種充分電離的。它的整體呈電中性。在等離子體中，由于高溫，它的電子已經(jīng)擁有足夠的動(dòng)能來(lái)擺脫原子核的束縛。這時(shí)，原子核完全暴露，為原子核的碰撞準(zhǔn)備了條件。當(dāng)?shù)入x子體被加熱到幾千萬(wàn)甚至幾億度時(shí)，原子核之間就可以擺脫斥力，聚合在一起，形成聚變反應(yīng)。如果這時(shí)還有足夠的密度和足夠的熱能，那么這種反應(yīng)就可以穩(wěn)定地持續(xù)運(yùn)行下去。常用的加熱系統(tǒng)如下： 5 1） 歐姆加熱。磁場(chǎng)的變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而在等離子體里面生成電流。等離子體本身有電阻，會(huì)發(fā)生歐姆 加熱。其道理和電阻元件一樣。 2） 微波加熱。向托卡馬克內(nèi)發(fā)射電磁波，利用電磁波來(lái)加熱等離子體。該原理和我們家用的電磁微波爐很像。 3） 中性束加熱。中性束加熱實(shí)際上是一個(gè)能量的傳遞過(guò)程，向托卡馬克裝置內(nèi)注入高能的粒子，然后高能的粒子將它的能量傳遞給等離子體，實(shí)現(xiàn)了加熱。這種加熱方式要先用加速器對(duì)粒子進(jìn)行加速，因此成本比較高。 真空系統(tǒng)。真空室就是指那個(gè)環(huán)形容器。真空室的墻壁一般是用薄壁不銹鋼做成。這不但要考慮足夠的機(jī)械強(qiáng)度，還必須有一定的縫隙，以
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