核聚变原理

学年论文

核聚变——未来的新能源

班 级：08113

学 号：27

姓 名：宋广佳

指导教师：姚大力

核聚变——未来的新能源

0811327 宋广佳

【摘要】：氢弹应用的正是聚变原理，这是人类利用核聚变能的首次成功尝试。两个氢原子合为一个氦原子，叫核聚变，太阳就因此释放出巨大能量。核聚变产生的能量比核裂变还要多，而其辐射却要少得多，而且核聚变燃料可以说是取之不尽、用之不竭的。

关键词：核聚变 未来 新能源 国际合作项目 研究

能源是社会发展的基石。古人伐木为薪，后来柴薪逐渐被煤、石油、天然气等化石燃料取代。而今，化石能源面临“危机”，同时又对环境造成严重污染。以煤炭、石油、天然气等化石能源替代柴薪的第一次能源革命，带来了社会、经济的迅速发展。然而这些宝贵的化石能源是不可再生的，据估计，100年后地球上的化石能源将会枯竭。面对即将来临的能源危机，人类开始寻找新能源。回顾人类发展的历史，每一次高效能新能源的利用，都会使社会进入一个新的时代，带来一次新的飞跃。新能源的开发是社会发展的重要基础。

能源分为一次能源和二次能源，化石能源、太阳能、风能、地热能、核能、潮汐能等为一次能源，而焦煤、蒸汽、液化气、酒精、汽油、电能为二次能源。其次，按利用状况，可分为常规能源和新能源。前者是指在不同历史时期的科技发展水平下已被广泛应用的能源，现阶段指煤、石油、天然气、水能和核裂变能五种；后者指由于技术、经济或能源品质等因素而未能大规模使用的能源，如太阳能、风能、海洋能、地热能等。为了社会的稳定发展，人们正在利用高新科学技术开发新的能源。从长远来看，核能将是继石油、煤和天然气之后的主要能源，人类将从“石油文明”走向“核能文明”。原子弹、氢弹的爆炸，使人们认识到原子核内蕴藏着巨大的能量，核电站正是合理利用核能的一个途径。而今，太阳能、地热能、海洋能、生物能等各种新能源也正在开发过程中。日本政府于1993年就提出旨在开发利用新能源的“新阳光计划”，每年都要为新能源技术开发拨款约362亿日元。日本新能源利用的目标是，到2008年争取使新能源在一次能源中所占的比重由目前的1%提高到3%。美国《国家综合能源战略》确定的新能源开发利用目标是，发展先进的可再生能源技术，开发非常规的甲烷资源，发展氢能的储存、分配和转化技术。

- 1 - 美国核聚变原理

核聚变是一种可供能源利用的方式，它是从原子核中释放出的能量利用的。核聚变技术的实现是科学家多年来的梦想，在世界范围内正在被大量研究和开发。美国也是其中的参与者，采取了政策措施和法律法规，进一步促进核聚变发展和投资。

美国核聚变技术的发展主要依靠美国国家实验室（National

Laboratory）的研究和开发，目前有四个国家实验室参与核聚变活动，分别是伊利诺伊大学厄本那－香槟国家实验室（University of

Illinois at Urbana-Champaign National Laboratory）、德克萨斯大学奥斯汀国家实验室（The University of Texas at Austin

National Laboratory）、斯坦福大学国家实验室（Stanford

University National Laboratory）以及加州大学伯克利分校国家实验室（University of California, Berkeley National Laboratory）。这些实验室通过进行系统研究来推动核聚变技术的发展，包括探索核聚变原理、研发创新的核聚变反应堆系统和研发更有效的核聚变技术。

在美国，有两个主要的核聚变计划，分别是联邦核聚变能源计划（Federal Nuclear Fusion Energy Program）和美国核聚变实验室（American Nuclear Fusion Laboratory）。前者由美国能源部负责，负责组织各种核聚变研究，资助有关研究机构，促进核聚变技术的发展和推广，加快核聚变能源的商业化进程。而后者则由美国阿肯色州的普罗维登斯县（Prowens County）负责，负责研究和开发核聚变技术，包括探索新型反应堆、核聚变冷却和加热技术等。 - 2 - 在美国，尽管核聚变技术发展不够完善，但相关法律和政策却已经制定完善。比如，美国政府在1993年就出台了《国家核聚变能源管理法》（National Nuclear Fusion Energy Management Act），该法案提出了美国核聚变能源发展的国家战略，制定了实施计划以及鼓励核聚变能源发展的政策措施。此外，美国国会多次推出核聚变投资法案，比如2007年出台的《美国能源保密法》（U.S. Energy Security

核聚变反应堆的原理很简单，只不过对于人类当前的技术水准，实现起来具有相当大的难度。

物质由分子构成，分子由原子构成，原子中的原子核又由质子和中子构成，原子核外包覆与质子数量相等的电子。质子带正电，中子不带电。电子受原子核中正电的 吸引，在"轨道"上围绕原子核旋转。不同元素的电子、质子数量也不同，如氢和氢同位素只有1个质子和1个电子，铀是天然元素中最重的原子，有92个质子和 92个电子。

核聚变是指由质量轻的原子（主要是指氢的同位素氘和氚）在超高温条件下，发生原子核互相聚合作用，生成较重的原子核（氦），并释放出巨大的能量。1千克氘全部聚变释放的能量相当11000吨煤炭。其实，利用轻核聚变原理，人类早已实现了氘氚核聚变---氢弹爆炸，但氢弹是不可控制的爆炸性核聚变，瞬间能量释放只能给人类带来灾难。如果能让核聚变反应按照人们的需要，长期持续释放，才能使核聚变发电，实现核聚变能的和平利用。

如果要实现核聚变发电，那么在核聚变反应堆中，第一步需要将作为反应体的氘-氚混合气体加热到等离子态，也就是温度足够高到使得电子能脱离原子核的束缚，让原子核能自由运动，这时才可能使裸露的原子核发生直接接触，这就需要达到大约10万摄氏度的高温。

第二步，由于所有原子核都带正电，按照"同性相斥"原理，两个原子核要聚到一起，必须克服强大的静电斥力。两个原子核之间靠得越近，静电产生的斥力就越 大，只有当它们之间互相接近的距离达到大约万亿分之三毫米时，核力（强作用力）才会伸出强有力的手，把它们拉到一起，从而放出巨大的能量。

质量轻的原子核间静电斥力最小，也最容易发生聚变反应，所以核聚变物质一般选择氢的同位素氘和氚。氢是宇宙中最轻的元素，在自然界中存在的同位素有： 氕、氘 (重氢)、氚 (超重氢)。在氢的同位素中，氘和氚之间的聚变最容易，氘和氘之间的聚变就困难些，氕和氕之间的聚变就更困难了。因此人们在考虑聚变时，先考虑氘、氚之间 的聚变，后考虑氘、氘之间的聚变。重核元素如铁原子也能发生聚变反应，释放的能量也更多；但是以人类目前的科技水平，尚不足满足其聚变条件。

2019年8月2019年第8期

能源知识气、液均匀混合后使其经管道进入两级转换器。当井

下需要大量CO2连续注入时，气液两相流CO2将进入混

合调压装置，在调压装置内实现低温CO2和高温N2的混

合，达成CO2的充分汽化和N2的快速降温。当调压装置

内压力达到1.6MPa，充分混合的复合惰性气体便可通

过管道向采空区进行灌注[2-3]。

2复合惰性气体在采空区自然发火防治中的应

用分析

2.1工程概况

A矿905回采面处于井下二采区中部，选用走向长壁

综采工艺，作业面倾向长度200m，走向长度1130m，

主采9#煤层，煤层厚度介于5~6.7m，均值5.4m，煤层

倾角介于12毅~18毅，均值16毅，属于典型的仰采作业面。

该作业面自回采以来，经历近1a的开采，回采接近尾

声，但由于前期回采时顶板遗煤偏多，加之顶板垮落

不充分，导致停采撤架耗时较大，一定程度上增加了

采空区自然发火危险。经现场监测，回采面回风流与

瓦斯抽采管内均出现CO并呈现出增加趋势。为有效防

范采空区火灾隐患，决定采用向采空区注入复合惰性

气体的方式进行防灭火[4]。

2.2复合惰性气体防灭火方案

在905回采面运输巷道内预埋直径108mm的惰性

气体注入管道以便于随时向采空区内进行连续的惰性

气体注入。结合前期束管监测所得数据，将采空区依

照O2浓度的不同进行划分，则其“氧化带”宽度范围

为16~105m，宽度均值86m。鉴于905回采面属于仰

采作业面，则在复合惰性气体防灭火中CO2将覆盖底

板遗煤并发挥吸热降温的功效[5]。图2所示即为作业面

相对位置示意图。

图2作业面相对位置示意图

2.3参数计算

防灭火作业所需CO2质量解算公式如式(1)所示：m=kV(1+滋)/qp，(1)

式(1)中，m为所需CO2质量，kg；k为采空区垮落前后

体积比，取值0.8；V为采空区垮落前氧化带体积，m3；滋为CO2损失率，取值30%；q为惰性气体置换采空区

气体效率，取值70%；p为15℃时大气压力，Pa。