物理學(xué)前言原子能及和平利用2

1、 物理學(xué)物理學(xué)前沿前沿第四章第四章 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) 自從人類學(xué)會(huì)如何使用能源使自己生活更加舒適和方便后，人們使用能源的能力和對(duì)能源的消耗就不斷增加。工業(yè)文明發(fā)展之后，這種需求和增加就越來越快。為了保持人類的舒適生活，現(xiàn)在對(duì)能源的消耗極大。7. 能源消耗現(xiàn)狀能源消耗現(xiàn)狀 物理學(xué)物理學(xué)前沿前沿第四章第四章 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) 7. 能源消耗現(xiàn)狀能源消耗現(xiàn)狀 物理學(xué)物理學(xué)前沿前沿第四章第四章 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) 0246810121419902000201020202030mb/d-20%0%20%40%60%80%100%ProductionDemandImports as

2、% of demand (right axis)7. 能源消耗現(xiàn)狀能源消耗現(xiàn)狀 物理學(xué)物理學(xué)前沿前沿第四章第四章 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) 礦物能源不僅造成各種污染和礦物能源不僅造成各種污染和“溫室效應(yīng)溫室效應(yīng)”，而且大約，而且大約在在200年之內(nèi)，石油、煤和天然氣資源都有枯竭之虞。從長年之內(nèi)，石油、煤和天然氣資源都有枯竭之虞。從長遠(yuǎn)來看，核能將是繼石油、煤和天然氣之后主要能源，人類遠(yuǎn)來看，核能將是繼石油、煤和天然氣之后主要能源，人類將從將從“石油文明石油文明”走向走向“核能文明核能文明”。核能核能-未來能源的選擇未來能源的選擇原子彈氫彈8.核聚變的利用核聚變的利用可控核聚變可控核聚變 物理學(xué)

3、物理學(xué)前沿前沿第四章第四章 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) 5核聚變核聚變 由輕核聚合成中等核的過程由輕核聚合成中等核的過程. .實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)的三個(gè)條件實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)的三個(gè)條件1)1)等離子體的溫度足夠高等離子體的溫度足夠高; ;2)2)等離子體的密度足夠大等離子體的密度足夠大; ;3)3)所需的高溫和密度須維持足夠長所需的高溫和密度須維持足夠長的時(shí)間的時(shí)間. . 1957年年,勞遜將以上三個(gè)條件定量化勞遜將以上三個(gè)條件定量化(對(duì)對(duì)dt反應(yīng)反應(yīng))形成勞遜判據(jù)形成勞遜判據(jù),這是實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)并獲得能量增益的必要條件這是實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)并獲得能量增益的必要條件.勞遜判據(jù)勞遜判據(jù) keVTcmsn10/10314

4、 太陽的熱核聚變由萬有引力約束，這需要有恒星那樣大的質(zhì)量，太陽的熱核聚變由萬有引力約束，這需要有恒星那樣大的質(zhì)量，這不僅在地球上做不到，即使在太陽系最重的木星上也不能實(shí)現(xiàn)。這不僅在地球上做不到，即使在太陽系最重的木星上也不能實(shí)現(xiàn)。8.核聚變的利用核聚變的利用可控核聚變可控核聚變 物理學(xué)物理學(xué)前沿前沿第四章第四章 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) 即每個(gè)氘核聚變后可產(chǎn)生約即每個(gè)氘核聚變后可產(chǎn)生約7.2MeV的能量，是每個(gè)的能量，是每個(gè)重核裂變釋放能量重核裂變釋放能量0.85MeV的的8.5倍，單位質(zhì)量的氘核聚倍，單位質(zhì)量的氘核聚變釋放的能量比裂變大很多，這是聚變反應(yīng)作為一種潛在變釋放的能量比裂變大很多，

5、這是聚變反應(yīng)作為一種潛在新能源的突出優(yōu)點(diǎn)，地球上風(fēng)能，水能，以及生物生長的新能源的突出優(yōu)點(diǎn)，地球上風(fēng)能，水能，以及生物生長的能量等等幾乎都來自于太陽，而太陽表面所發(fā)生的就是核能量等等幾乎都來自于太陽，而太陽表面所發(fā)生的就是核聚變反應(yīng)。太陽本身就是一個(gè)超大的核聚變反應(yīng)堆。聚變反應(yīng)。太陽本身就是一個(gè)超大的核聚變反應(yīng)堆。 8.核聚變的利用核聚變的利用可控核聚變可控核聚變 物理學(xué)物理學(xué)前沿前沿第四章第四章 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) 氘在海水中的含量氘在海水中的含量還是比較高的，只需要還是比較高的，只需要通過精餾法取得重水，通過精餾法取得重水，然后再電解重水就能得然后再電解重水就能得到氘到氘,精餾法利用

6、氘化精餾法利用氘化合物的蒸氣壓特點(diǎn)而濃合物的蒸氣壓特點(diǎn)而濃縮。目前最大的液氫精縮。目前最大的液氫精餾重水廠年產(chǎn)餾重水廠年產(chǎn)14噸重水噸重水。水精餾操作簡單可靠。水精餾操作簡單可靠、原料充足，但因分離、原料充足，但因分離系數(shù)小而能耗過大系數(shù)小而能耗過大.8.核聚變的利用核聚變的利用可控核聚變可控核聚變 物理學(xué)物理學(xué)前沿前沿第四章第四章 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) 8.核聚變的利用核聚變的利用可控核聚變可控核聚變 物理學(xué)物理學(xué)前沿前沿第四章第四章 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) 現(xiàn)在人類的氚都是人工制造而非天然提取的，人們現(xiàn)在人類的氚都是人工制造而非天然提取的，人們通常用重水反應(yīng)堆在發(fā)電之余人工制造少量的

7、氚，它是地通常用重水反應(yīng)堆在發(fā)電之余人工制造少量的氚，它是地球上最貴的東西之一，一克氚價(jià)值超過球上最貴的東西之一，一克氚價(jià)值超過30萬美元，僅在美萬美元，僅在美國保存有國保存有30公斤左右的氚。公斤左右的氚。 8.核聚變的利用核聚變的利用可控核聚變可控核聚變 物理學(xué)物理學(xué)前沿前沿第四章第四章 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) 8.核聚變的利用核聚變的利用可控核聚變可控核聚變 物理學(xué)物理學(xué)前沿前沿第四章第四章 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) 固體固體液體液體氣體氣體等離子體等離子體增加原子增加原子( (核核) )運(yùn)動(dòng)速度的方運(yùn)動(dòng)速度的方法通常是提高法通常是提高物體的熱運(yùn)動(dòng)物體的熱運(yùn)動(dòng)速度。速度。當(dāng)物體的溫度當(dāng)

8、物體的溫度足夠高時(shí)，物足夠高時(shí)，物體呈等離子態(tài)。體呈等離子態(tài)。8.核聚變的利用核聚變的利用可控核聚變可控核聚變 物理學(xué)物理學(xué)前沿前沿第四章第四章 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) 等離子體是由宏觀上等離子體是由宏觀上呈電中性的帶電粒子呈電中性的帶電粒子所組成。所組成。自然狀態(tài)下的等離子自然狀態(tài)下的等離子體是自由運(yùn)動(dòng)的。體是自由運(yùn)動(dòng)的。高溫的等離子體必須高溫的等離子體必須要約束較長的時(shí)間。要約束較長的時(shí)間。磁場可很好約束高溫磁場可很好約束高溫等離子體，使其沿磁等離子體，使其沿磁力線運(yùn)動(dòng)。力線運(yùn)動(dòng)。8.核聚變的利用核聚變的利用可控核聚變可控核聚變 物理學(xué)物理學(xué)前沿前沿第四章第四章 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué)

9、 其實(shí)，利用輕核聚變?cè)?，人類早已?shí)現(xiàn)了氘氚核聚其實(shí)，利用輕核聚變?cè)?，人類早已?shí)現(xiàn)了氘氚核聚變變-氫彈爆炸，但氫彈是不可控制的爆炸性核聚變，瞬間氫彈爆炸，但氫彈是不可控制的爆炸性核聚變，瞬間能量釋放只能給人類帶來災(zāi)難。如果能讓核聚變反應(yīng)按照能量釋放只能給人類帶來災(zāi)難。如果能讓核聚變反應(yīng)按照人們的需要，長期持續(xù)釋放，才能使核聚變發(fā)電，實(shí)現(xiàn)核人們的需要，長期持續(xù)釋放，才能使核聚變發(fā)電，實(shí)現(xiàn)核聚變能的和平利用。聚變能的和平利用。 8.核聚變的利用核聚變的利用可控核聚變可控核聚變 物理學(xué)物理學(xué)前沿前沿第四章第四章 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) 在人工控制下的聚變稱為受控聚變，釋放受控聚變能量的裝在人工控

10、制下的聚變稱為受控聚變，釋放受控聚變能量的裝置，稱為聚變反應(yīng)堆或聚變堆。置，稱為聚變反應(yīng)堆或聚變堆。8.核聚變的利用核聚變的利用可控核聚變可控核聚變 物理學(xué)物理學(xué)前沿前沿第四章第四章 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) 如果要實(shí)現(xiàn)核聚變發(fā)電，那么在核聚變反應(yīng)堆中，如果要實(shí)現(xiàn)核聚變發(fā)電，那么在核聚變反應(yīng)堆中， 第一步需要將作為反應(yīng)體的氘第一步需要將作為反應(yīng)體的氘-氚混合氣體加熱到等氚混合氣體加熱到等離子態(tài)，也就是溫度足夠高到使得電子能脫離原子核的束離子態(tài)，也就是溫度足夠高到使得電子能脫離原子核的束縛，讓原子核能自由運(yùn)動(dòng)，這時(shí)才可能使裸露的原子核發(fā)縛，讓原子核能自由運(yùn)動(dòng)，這時(shí)才可能使裸露的原子核發(fā)生直接接觸

11、，這就需要達(dá)到大約生直接接觸，這就需要達(dá)到大約10萬攝氏度的高溫。萬攝氏度的高溫。 第二步，由于所有原子核都帶正電，按照第二步，由于所有原子核都帶正電，按照同性相斥同性相斥原理，兩個(gè)原子核要聚到一起，必須克服強(qiáng)大的靜電斥力原理，兩個(gè)原子核要聚到一起，必須克服強(qiáng)大的靜電斥力。兩個(gè)原子核之間靠得越近，靜電產(chǎn)生的斥力就越。兩個(gè)原子核之間靠得越近，靜電產(chǎn)生的斥力就越 大，大，只有當(dāng)它們之間互相接近的距離達(dá)到大約萬億分之三毫米只有當(dāng)它們之間互相接近的距離達(dá)到大約萬億分之三毫米時(shí)，核力（強(qiáng)作用力）才會(huì)伸出強(qiáng)有力的手，把它們拉到時(shí)，核力（強(qiáng)作用力）才會(huì)伸出強(qiáng)有力的手，把它們拉到一起，從而放出巨大的能量。一起

12、，從而放出巨大的能量。 8.核聚變的利用核聚變的利用可控核聚變可控核聚變 物理學(xué)物理學(xué)前沿前沿第四章第四章 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) 質(zhì)量輕的原子核間靜電斥力最小，也最容易發(fā)生聚變質(zhì)量輕的原子核間靜電斥力最小，也最容易發(fā)生聚變反應(yīng)，所以核聚變物質(zhì)一般選擇氫的同位素氘和氚。氫是反應(yīng)，所以核聚變物質(zhì)一般選擇氫的同位素氘和氚。氫是宇宙中最輕的元素，在自然界中存在的同位素有：宇宙中最輕的元素，在自然界中存在的同位素有： 氕、氕、氘氘 （重氫）、氚（超重氫）。在氫的同位素中，氘和氚（重氫）、氚（超重氫）。在氫的同位素中，氘和氚之間的聚變最容易，氘和氘之間的聚變就困難些，氕和氕之間的聚變最容易，氘和氘之間

13、的聚變就困難些，氕和氕之間的聚變就更困難了。因此人們?cè)诳紤]聚變時(shí)，先考慮之間的聚變就更困難了。因此人們?cè)诳紤]聚變時(shí)，先考慮氘、氚之間氘、氚之間 的聚變，后考慮氘、氘之間的聚變。重核元的聚變，后考慮氘、氘之間的聚變。重核元素如鐵原子也能發(fā)生聚變反應(yīng)，釋放的能量也更多；但是素如鐵原子也能發(fā)生聚變反應(yīng)，釋放的能量也更多；但是以人類目前的科技水平，尚不足滿足其聚變條件。以人類目前的科技水平，尚不足滿足其聚變條件。 8.核聚變的利用核聚變的利用可控核聚變可控核聚變 物理學(xué)物理學(xué)前沿前沿第四章第四章 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) 為了克服帶正電子原子核之間的斥力，原子核需要以極快為了克服帶正電子原子核之間的斥

14、力，原子核需要以極快的速度運(yùn)行，要使原子核達(dá)到這種運(yùn)行狀態(tài)，就需要繼續(xù)的速度運(yùn)行，要使原子核達(dá)到這種運(yùn)行狀態(tài)，就需要繼續(xù)加溫，直至上億攝氏度，使得布朗運(yùn)動(dòng)達(dá)到一個(gè)瘋狂的水加溫，直至上億攝氏度，使得布朗運(yùn)動(dòng)達(dá)到一個(gè)瘋狂的水平，溫度越高，原子核運(yùn)動(dòng)越快。以至于它們沒有時(shí)間相平，溫度越高，原子核運(yùn)動(dòng)越快。以至于它們沒有時(shí)間相互躲避。然后就簡單了，氚的原子核和氘的原子核以極大互躲避。然后就簡單了，氚的原子核和氘的原子核以極大的速度，赤裸裸地發(fā)生碰撞，結(jié)合成的速度，赤裸裸地發(fā)生碰撞，結(jié)合成1個(gè)氦原子核，并放個(gè)氦原子核，并放出出1個(gè)中子和個(gè)中子和17。6兆電子伏特能量。兆電子伏特能量。 8.核聚變的利用核

15、聚變的利用可控核聚變可控核聚變 物理學(xué)物理學(xué)前沿前沿第四章第四章 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) 反應(yīng)堆經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行，內(nèi)部反應(yīng)體已經(jīng)不需要外反應(yīng)堆經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行，內(nèi)部反應(yīng)體已經(jīng)不需要外來能源的加熱，核聚變的溫度足夠使得原子核繼續(xù)發(fā)生聚來能源的加熱，核聚變的溫度足夠使得原子核繼續(xù)發(fā)生聚變。這個(gè)過程只要將氦原子核和中子及時(shí)排除出反應(yīng)堆，變。這個(gè)過程只要將氦原子核和中子及時(shí)排除出反應(yīng)堆，并及時(shí)將新的氚和氘的混合氣輸入到反應(yīng)堆內(nèi)，核聚變就并及時(shí)將新的氚和氘的混合氣輸入到反應(yīng)堆內(nèi)，核聚變就能持續(xù)下去；核聚變產(chǎn)生的能量一小部分留在反應(yīng)體內(nèi)，能持續(xù)下去；核聚變產(chǎn)生的能量一小部分留在反應(yīng)體內(nèi)，維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，剩

16、余大部分的能量可以通過熱維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，剩余大部分的能量可以通過熱 交換裝置交換裝置輸出到反應(yīng)堆外，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。這就和傳統(tǒng)核電站類輸出到反應(yīng)堆外，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。這就和傳統(tǒng)核電站類似了。似了。 8.核聚變的利用核聚變的利用可控核聚變可控核聚變 物理學(xué)物理學(xué)前沿前沿第四章第四章 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) 聚變反應(yīng)聚變反應(yīng)和裂變反應(yīng)相比較，具有許多優(yōu)越性和裂變反應(yīng)相比較，具有許多優(yōu)越性。1 1、輕核聚變產(chǎn)能效率高、輕核聚變產(chǎn)能效率高1千克氘全部聚變釋放的能量相當(dāng)千克氘全部聚變釋放的能量相當(dāng)11000噸煤炭。噸煤炭。 3 3、輕核聚變更為安全、清潔、輕核聚變更為安全、清潔8.核聚變的利用核聚變的利

17、用可控核聚變可控核聚變2、地球上聚變?nèi)剂系膬?chǔ)量豐富、地球上聚變?nèi)剂系膬?chǔ)量豐富 物理學(xué)物理學(xué)前沿前沿第四章第四章 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) 氘在海水中大量存在。海水中大約每氘在海水中大量存在。海水中大約每600個(gè)氫原子中個(gè)氫原子中就有一個(gè)氘原子，海水中氘的總量約就有一個(gè)氘原子，海水中氘的總量約45萬億噸。按目前世萬億噸。按目前世界消耗的能量計(jì)算，海水中氘的聚變能可用幾百億年。地界消耗的能量計(jì)算，海水中氘的聚變能可用幾百億年。地球上蘊(yùn)藏的核聚變能約為蘊(yùn)藏的可進(jìn)行核裂變?cè)厮茚屒蛏咸N(yùn)藏的核聚變能約為蘊(yùn)藏的可進(jìn)行核裂變?cè)厮茚尦龅娜亢肆炎兡艿某龅娜亢肆炎兡艿?000萬倍，因此，核聚變能是一種萬

18、倍，因此，核聚變能是一種取之不盡用之不竭的新能源。取之不盡用之不竭的新能源。l 1升海水升海水 = 340升汽油升汽油l 1克氘氚克氘氚 = 8 噸噸 汽油汽油l 地球表面海水含氚地球表面海水含氚1018噸噸8.核聚變的利用核聚變的利用可控核聚變可控核聚變2、地球上聚變?nèi)剂系膬?chǔ)量豐富、地球上聚變?nèi)剂系膬?chǔ)量豐富 物理學(xué)物理學(xué)前沿前沿第四章第四章 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) 3、輕核聚變更為安全、清潔、輕核聚變更為安全、清潔 高溫不能維持反應(yīng)就能自動(dòng)終止，聚變產(chǎn)生的氦是高溫不能維持反應(yīng)就能自動(dòng)終止，聚變產(chǎn)生的氦是沒有放射性的。廢物主要是泄露的氚，高速中子、質(zhì)子與沒有放射性的。廢物主要是泄露的氚，高速

19、中子、質(zhì)子與其他物質(zhì)反應(yīng)生成的放射性物質(zhì)，比裂變反應(yīng)堆生成的廢其他物質(zhì)反應(yīng)生成的放射性物質(zhì)，比裂變反應(yīng)堆生成的廢物數(shù)量少，容易處理物數(shù)量少，容易處理,同時(shí)受控核聚變反應(yīng)可在稀薄的氣同時(shí)受控核聚變反應(yīng)可在稀薄的氣體中持續(xù)地穩(wěn)定進(jìn)行，所以是安全的。體中持續(xù)地穩(wěn)定進(jìn)行，所以是安全的。8.核聚變的利用核聚變的利用可控核聚變可控核聚變 物理學(xué)物理學(xué)前沿前沿第四章第四章 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) 現(xiàn)在的技術(shù)還不能現(xiàn)在的技術(shù)還不能很好的很好的控制控制聚變聚變反應(yīng)，反應(yīng)，問問題有：題有：、熱核反應(yīng)的的點(diǎn)火溫度很高；、熱核反應(yīng)的的點(diǎn)火溫度很高； 、如何約束聚變所需的燃料；、如何約束聚變所需的燃料； 8.核聚變的

20、利用核聚變的利用可控核聚變可控核聚變 物理學(xué)物理學(xué)前沿前沿第四章第四章 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) 重力約束； 慣性約束； 磁約束磁約束；8.核聚變的利用核聚變的利用可控核聚變可控核聚變 物理學(xué)物理學(xué)前沿前沿第四章第四章 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) 24宇宙中主要能源由核宇宙中主要能源由核聚變提供聚變提供,太陽發(fā)生的太陽發(fā)生的是輕核聚變反應(yīng)是輕核聚變反應(yīng).太陽能：重力約束聚變太陽能：重力約束聚變 CNPeNOONpNCpeCNNCp121515151514141313131312貝蒂循環(huán)貝蒂循環(huán)（1938年年) 4個(gè)質(zhì)子的聚變過程中每個(gè)質(zhì)子貢獻(xiàn)個(gè)質(zhì)子的聚變過程中每個(gè)質(zhì)子貢獻(xiàn)6.7MeV,比裂變時(shí)每

21、個(gè)比裂變時(shí)每個(gè)質(zhì)子的貢獻(xiàn)大八倍質(zhì)子的貢獻(xiàn)大八倍,比化學(xué)能大一億倍比化學(xué)能大一億倍.太陽釋放的能量相當(dāng)于太陽釋放的能量相當(dāng)于每秒種爆炸每秒種爆炸900億枚百萬噸級(jí)的氫彈億枚百萬噸級(jí)的氫彈.天文研究表明天文研究表明,按太陽總按太陽總質(zhì)量的質(zhì)量的75%為氫計(jì)算為氫計(jì)算,其熱核反應(yīng)可維持其熱核反應(yīng)可維持750億年億年.8.核聚變的利用核聚變的利用可控核聚變可控核聚變 物理學(xué)物理學(xué)前沿前沿第四章第四章 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) 慣性約束核聚變是把幾毫克的氘和氚的混合氣體或固慣性約束核聚變是把幾毫克的氘和氚的混合氣體或固體，裝入直徑約幾毫米的小球內(nèi)。從外面均勻射入激光束體，裝入直徑約幾毫米的小球內(nèi)。從外面

22、均勻射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸發(fā)，受它的反作用，或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸發(fā)，受它的反作用，球面內(nèi)層向內(nèi)擠壓（反作用力是一種慣性力，靠它使氣體球面內(nèi)層向內(nèi)擠壓（反作用力是一種慣性力，靠它使氣體約束，所以稱為慣性約束），就像噴氣飛機(jī)氣體往后噴而約束，所以稱為慣性約束），就像噴氣飛機(jī)氣體往后噴而推動(dòng)飛機(jī)前飛一樣，小球內(nèi)氣體受擠壓而壓力升高，并伴推動(dòng)飛機(jī)前飛一樣，小球內(nèi)氣體受擠壓而壓力升高，并伴隨著溫度的急劇升高。當(dāng)溫度達(dá)到所需要的點(diǎn)火溫度（大隨著溫度的急劇升高。當(dāng)溫度達(dá)到所需要的點(diǎn)火溫度（大概需要幾十億度）時(shí)，小球內(nèi)氣體便發(fā)生爆炸，并產(chǎn)生大概需要幾十億度）時(shí)，小球內(nèi)氣體便發(fā)生

23、爆炸，并產(chǎn)生大量熱能。這種爆炸過程時(shí)間很短，只有幾個(gè)皮秒（量熱能。這種爆炸過程時(shí)間很短，只有幾個(gè)皮秒（1皮等皮等于于1萬億分之一）。如每秒鐘發(fā)生三四次這樣的爆炸并且萬億分之一）。如每秒鐘發(fā)生三四次這樣的爆炸并且連續(xù)不斷地進(jìn)行下去，所釋放出的能量就相當(dāng)于百萬千瓦連續(xù)不斷地進(jìn)行下去，所釋放出的能量就相當(dāng)于百萬千瓦級(jí)的發(fā)電站。級(jí)的發(fā)電站。 慣性約束法慣性約束法8.核聚變的利用核聚變的利用可控核聚變可控核聚變 物理學(xué)物理學(xué)前沿前沿第四章第四章 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) 26氫彈：氫彈：慣性約束聚變慣性約束聚變 輕核聚變反應(yīng)中輕核聚變反應(yīng)中,氘氘(d)與氚與氚(T)的反應(yīng)截面的反應(yīng)截面最大而釋放能量最多

24、：最大而釋放能量最多： MeVnTd58.17 氘化鋰氘化鋰()可作為氫彈的原料可作為氫彈的原料 HLi26氫彈的原氫彈的原理：引爆普通炸藥引發(fā)裂變反應(yīng)理：引爆普通炸藥引發(fā)裂變反應(yīng), 產(chǎn)生高溫高壓同產(chǎn)生高溫高壓同時(shí)放出大量中子時(shí)放出大量中子,中子與反應(yīng)產(chǎn)生氚，發(fā)生中子與反應(yīng)產(chǎn)生氚，發(fā)生d+T聚變反應(yīng)聚變反應(yīng). Li6典型氫彈典型氫彈（裂變彈）（裂變彈）的能量的能量爆震和沖爆震和沖擊波擊波(50%)熱輻射熱輻射(35%)欲使這兩部分能量相對(duì)減少欲使這兩部分能量相對(duì)減少,就要增加產(chǎn)生就要增加產(chǎn)生的中子數(shù)量的中子數(shù)量,使聚變的貢獻(xiàn)大于裂變貢獻(xiàn)使聚變的貢獻(xiàn)大于裂變貢獻(xiàn),這這使人們進(jìn)一步研究中子彈使人們

25、進(jìn)一步研究中子彈.但純聚變彈至今但純聚變彈至今仍實(shí)現(xiàn)不了仍實(shí)現(xiàn)不了.氫彈的本質(zhì)是利用慣性力約束高溫等離子體氫彈的本質(zhì)是利用慣性力約束高溫等離子體(動(dòng)力性約束動(dòng)力性約束). 人工約束較為成功的是激光慣性約束人工約束較為成功的是激光慣性約束,此外還有電子束、重離子束的慣此外還有電子束、重離子束的慣性約束方案性約束方案,但這些人工慣性約束目前還僅限于理論但這些人工慣性約束目前還僅限于理論,實(shí)踐上還未獲成功實(shí)踐上還未獲成功.可控核聚變最有希望的是磁約束可控核聚變最有希望的是磁約束.8.核聚變的利用核聚變的利用可控核聚變可控核聚變 物理學(xué)物理學(xué)前沿前沿第四章第四章 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) 271952

26、年年11月月1日，世界的第一顆氫彈在太平洋的埃尼托威克環(huán)礁上方引爆，震撼了天際。這日，世界的第一顆氫彈在太平洋的埃尼托威克環(huán)礁上方引爆，震撼了天際。這場美國的試爆行動(dòng)代場美國的試爆行動(dòng)代號(hào)號(hào)艾薇麥克，把附近島嶼的植被全部連根拔起、造成了一個(gè)直徑超艾薇麥克，把附近島嶼的植被全部連根拔起、造成了一個(gè)直徑超過一英里的坑，過一英里的坑，並並把大塊大塊受到放射線污染的珊瑚炸到把大塊大塊受到放射線污染的珊瑚炸到50公里以外的地方。公里以外的地方。 物理學(xué)物理學(xué)前沿前沿第四章第四章 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) 281967.6.17，中國第，中國第一顆氫彈在西部地區(qū)一顆氫彈在西部地區(qū)上空試爆成功。上空試爆成功

27、。（距中國第一顆原子（距中國第一顆原子彈試爆成功不到彈試爆成功不到3年）年）8.核聚變的利用核聚變的利用可控核聚變可控核聚變 物理學(xué)物理學(xué)前沿前沿第四章第四章 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) 磁約束托卡馬克 磁場可以約束帶電粒子磁容器可盛裝和約束高溫等離子體8.核聚變的利用核聚變的利用可控核聚變可控核聚變 物理學(xué)物理學(xué)前沿前沿第四章第四章 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) 構(gòu)成托卡馬克環(huán)形磁容構(gòu)成托卡馬克環(huán)形磁容器的三個(gè)基本磁場：器的三個(gè)基本磁場： 縱向磁場； 極向磁場 等離子體電流磁場等離子體電流極向場線圈縱場線圈(托卡馬克） 是一種環(huán)形磁容器8.核聚變的利用核聚變的利用可控核聚變可控核聚變 物理學(xué)物理學(xué)

28、前沿前沿第四章第四章 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) 通常用通常用“聚變?nèi)朔e和增益聚變?nèi)朔e和增益Q值值”來衡量等離子體的品質(zhì)參數(shù)。來衡量等離子體的品質(zhì)參數(shù)。能量得失相當(dāng)，要求等離子體密度能量得失相當(dāng)，要求等離子體密度n與等離與等離子體能量約束時(shí)間的乘積子體能量約束時(shí)間的乘積 nE E的最小值約為的最小值約為0.61020m-3s，即滿足聚變反應(yīng)物理可行性的最低要求。即滿足聚變反應(yīng)物理可行性的最低要求。若若QDT=1，則要求，則要求n T 乘積達(dá)到乘積達(dá)到 21021 m-3s keV 物理學(xué)物理學(xué)前沿前沿第四章第四章 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) 聚變等離子體持續(xù)燃聚變等離子體持續(xù)燃燒需要有足夠的高

29、溫?zé)枰凶銐虻母邷亍⒏呙芎烷L時(shí)間的約、高密和長時(shí)間的約束，即滿足所謂勞遜束，即滿足所謂勞遜判據(jù)。判據(jù)。 考慮軔致輻射損失后考慮軔致輻射損失后的勞遜判據(jù)要求的勞遜判據(jù)要求nT E大于大于3 1021 m-3 keVs。 對(duì)于大型托卡馬克裝對(duì)于大型托卡馬克裝置溫度置溫度T=10 keV，離，離子密度子密度1 1020 m-3，得，得到能量約束時(shí)間要達(dá)到能量約束時(shí)間要達(dá)3s以上。以上。 物理學(xué)物理學(xué)前沿前沿第四章第四章 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) 物理學(xué)物理學(xué)前沿前沿第四章第四章 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) ITERITER 的計(jì)劃開始于19841984年（蘇聯(lián)、美、日、歐盟）19981998年完成第

30、一輪工程設(shè)計(jì)（建造費(fèi)100億美元）； 20002000年完成第二輪工程設(shè)計(jì)（建造費(fèi)5050億美元）并宣布了新的參加規(guī)則.俄、美、日、歐盟,中,韓國,印度 宣布參加0505年6月28日在莫斯科會(huì)議上正式宣布將建在法國的CadaracheCadarache提交各國議會(huì)討論通過后， 06年11月21日簽署合作協(xié)議0707年總部成立，年總部成立，ITER ITER 項(xiàng)目項(xiàng)目 正式開始建造正式開始建造ITER 物理學(xué)物理學(xué)前沿前沿第四章第四章 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) EAST與與ITER ITER 計(jì)參劃的七方計(jì)參劃的七方8.核聚變的利用核聚變的利用可控核聚變可控核聚變 物理學(xué)物理學(xué)前沿前沿第四章第四章 原子核物理學(xué)原子核物理學(xué) ITERITER的典型參數(shù)的典型參數(shù)尺寸：尺寸：24 m （高）高）30 m（直徑）直徑）大半徑：大半徑：6.2 m小半徑：小半徑：2 m磁場：磁場： 5.3 T等離子體體積：等離子體體積：850 m3放電持續(xù)時(shí)間：放電持續(xù)時(shí)間：300