第四章：核聚變高溫等離子體應(yīng)用-資料下載頁
2024-10-12 04:34本頁面
【導(dǎo)讀】核能是20世紀(jì)人類的一項偉大發(fā)現(xiàn).1938年德國科學(xué)家用中子轟擊鈾原子核,首先發(fā)現(xiàn)核裂變現(xiàn)象.生成氦核并放出一個高能中子.質(zhì)能轉(zhuǎn)換放出更大能量.1919年首先證實了輕元素以足夠大能量碰撞引起核反應(yīng)現(xiàn)象.核能(原子能):是在原子核發(fā)生變化的過程中釋放出來的能量.原子核聚合成較重原子核而釋放的能量,即氫原子=>氦原子.稱為核聚變.原子由原子核及圍繞其運(yùn)動的電子組成.原子核帶正電,電子帶負(fù)電荷.正點(diǎn)荷與負(fù)電荷相等,原子不帶電.原子核通常由質(zhì)子和中子組成.化學(xué)元素表按質(zhì)子數(shù)排序.如鋁的原子核內(nèi),包括13個質(zhì)子,14個中子,它的質(zhì)量數(shù)是13.徑約×１０￣１５米，每個核子只跟它相鄰的核子間才有核力的作用。反的過程－再結(jié)合過程，則放出巨大能量。1945年8月5號,美國投到日本兩個小城市廣島,長崎的原子彈,光照亮整個日本島.原子彈的蘑菇云幾萬英尺高.
【正文】 沖擊波 ,使靶心千百倍壓縮并產(chǎn)生上億度 高溫 ,依靠聚心壓縮的慣性 ,靶心在尚未分散前發(fā)生聚變 . 類似于氫彈引爆 , 用原子彈所產(chǎn)生的高溫 ,高壓使氫彈中的聚變?nèi)剂蠑D壓在一起 在飛散之前發(fā)生聚變 .但是要求有節(jié)奏地引爆一個個微型”氫彈” ,從而得到連續(xù)的能量 供應(yīng) . 原理圖 : 慣性約束聚變四個階段 1. 激光輻照 , 形成一個等離子體燒蝕層 2. 內(nèi)爆壓縮 靶丸表面熱物質(zhì)噴發(fā) ,反向壓縮 . 3. 聚變點(diǎn)火 通過向心聚爆過程 ,達(dá)到高溫 ,高 密度狀態(tài) . 4. 聚變?nèi)紵? 熱核燃燒在被壓縮燃料內(nèi)部蔓延 *** *** 左圖 : 柱形黑腔間接驅(qū)動靶示意圖 間接驅(qū)動 : 高功率激光束 (或離子束 )穿過小孔入靶室 內(nèi)壁吸收后放出 X 射線，幵迅速充滿腔室 形成強(qiáng)光壓，壓縮靶中心的小球。照射均勻 性要求較低，但需更強(qiáng)激光。 1974年美國的 KMS公司首先使用激光驅(qū)動向心聚爆方法 ,測到 聚變反應(yīng)產(chǎn)生的中子 . 2020年初，美國國家實驗室使用 192 束激光完成首次可控核聚變實驗。研究人員 表示，他們能為實現(xiàn)自持核聚變反應(yīng)提供點(diǎn)火所需條件。 2020年 10月進(jìn)行了亞臨界核爆試驗， 192束激光， 1MJ 此裝置可用于 １ . 模擬核爆炸，研究核武器性能 ２ . 模擬超新星，黑洞邊界，恒星內(nèi)核環(huán)境。 ３ . 借助它來制造類似太陽內(nèi)部的聚變反應(yīng)。 激光能量在黑體輻射腔內(nèi)轉(zhuǎn)換成 X 射線轟擊靶件。在激光束進(jìn)入黑體輻射腔的地方 增加高溫低密度等離子體，是出現(xiàn)等離子體光柵的關(guān)鍵，利用激光與等離子體的相 互作用調(diào)節(jié)激光束的能量分布。等離子體光柵如同小型棱鏡，改變了部分激光能量 的方向。 兩種聚變共同點(diǎn)： 都要求高達(dá)一億度的反應(yīng)溫度。 不同： 慣性核聚變等離子體密度極高 10↑26 /cm179。, 約束時間納秒級， 10↑(9)S 與氫彈熱核反應(yīng)條件相似。 磁約束： 密度 n 低得多， 10185。? / cm179。, 約束時間須長達(dá)秒的量級。 未來可能的驅(qū)動源： KrF 激光，離子束，（特別是能從電子束二極管稍加改變 可獲得輕離子束）。 原理 : 在適當(dāng)條件下 , 利用電子碰撞激發(fā)和能量轉(zhuǎn)移激發(fā)等 ,氣體分子 有選擇地被激發(fā)到某高能級上 , 從而形成與某低能級的粒子數(shù)反轉(zhuǎn) , 產(chǎn)生受激發(fā)射躍遷 . 準(zhǔn)分子激光是指受到電子束激發(fā)的惰性氣體與鹵素元素結(jié)合的混合氣 體形成的分子向其基態(tài)躍遷時發(fā)射所產(chǎn)生的激光 . 利用準(zhǔn)分子的束搏高能態(tài)和弱束搏的基態(tài)之間受激發(fā)射的激光器 .由于 其基態(tài)壽命極短 ,可實現(xiàn)高效率和高平均功率 . KrF 準(zhǔn)分子激光器是準(zhǔn)分子激光器一種 . 屬于冷激光 ,無熱效應(yīng) ,方向性強(qiáng) ,波長純度高 ,輸出功率大的脈沖激光 . 之所以稱為準(zhǔn)分子 ,因為它不是穩(wěn)定的分子 . 常用強(qiáng)電子束或快速脈沖放電來實現(xiàn)激勵 ,當(dāng)受激態(tài)準(zhǔn)分子的不穩(wěn)定分子鍵 斷裂而離解成基態(tài)原子時 ,受激態(tài)的能量以激光輻射形式放出 . 商用第一臺準(zhǔn)分子激光器 : 1979年德國 . 廣泛應(yīng)用 : 分離同位素 ,醫(yī)學(xué) , 光通訊 ,激光武器 ….. 準(zhǔn)分子激光器 ,光子能量波長范圍 157353納米 ,壽命幾十毫微秒 .屬于紫外光 . 具有良好聚焦性能 . 備注 : 鹵族元素如 F,CL,Br(溴 ),碘 i. 都有氧化性。 快點(diǎn)火方案 : 可以是直接或間接驅(qū)動 ,在聚變?nèi)剂媳痪鶆驂嚎s到最大密度時 ,將 一束超短脈沖強(qiáng)激光聚焦在靶丸表面 ,在靶丸表面等離子體的臨界密 度面上”打洞” ,并將臨界密度面壓向靶心 ,在這過程中 ,產(chǎn)生大量高能量 的超熱電子 ,穿過臨界密度面 ,射入高密度核 ,實現(xiàn)快速點(diǎn)火 . 中國神光計劃 1980 2030年從神光 1號 ,2號到 3號 ,中國工程物理研究院 (綿陽 ) 核聚變技術(shù)推動了一系列科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 .在航天 ,國防工業(yè)上潛在應(yīng)用 價值 .如大功率激光器 ,大功率微波 ,強(qiáng)流粒子束 ,低溫超導(dǎo) ….. 常溫聚變試驗 :(附 ) 1989年 3月英國教授弗萊希曼和美國教授龐斯宣布 :他們 應(yīng)用電化學(xué)技術(shù)實現(xiàn)室溫核聚變 . 實驗很簡單 ,但重復(fù)性差 : 在 15厘米高試管中 ,裝滿含有氘的重水 (D2O ) 27度。 試管外部絕緣 ,里面放置鉑陽極和鈀陰極 .兩電極間加 電流 .放出大量熱 ,釋放出的能量為輸入能量 4倍 .同時 , 發(fā)現(xiàn)氚和中子數(shù)量增加 . ****************************************************************** 加速新能源開發(fā)勢在必行 ： 目前，煤炭約占化石燃料的 80%，長距離運(yùn)輸制約了 經(jīng)濟(jì)發(fā)展。能源資源短缺和生態(tài)環(huán)境日益惡化，將是 未來社會的實際問題。
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