07核聚变

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。

物理学中的核裂变与核聚变反应

核裂变和核聚变反应是物理学中两个重要的概念，它们在能源产生、核武器及核能应用等方面都具有重要的作用。本文将从原理、应用和未来发展等角度探讨核裂变和核聚变反应。

一、核裂变反应

核裂变反应是指将重核（如铀、钚等）用中子轰击后，使其核发生裂变并产生大量能量的现象。在核裂变反应中，原子核会分裂成两个较轻的核，并释放出中子和大量的能量。这种反应在核弹及核能应用中被广泛使用。

核裂变反应的实现需要一个起始中子的轰击，使得原子核不稳定并发生裂变。裂变产生的大量能量可以用于发电或者被用于武器。尤其是核武器，其威力巨大，因为在核裂变中，一个原子核的分裂将引发其他原子核的连锁反应。然而，核裂变也具有一定的缺点，如产生放射性废料和致癌物质等，对环境和人类健康造成潜在威胁。

二、核聚变反应

核聚变反应是指将两个轻核（如氘和氚）融合成一个更重的核，并释放出大量的能量。核聚变反应是太阳及恒星能量产生的基本机制，也是可控核聚变研究的重要方向之一。

核聚变反应需要高温和高压的条件，使得轻核克服库仑斥力，接近到可以引发核聚变反应的距离。在核聚变反应中，氢原子核会融合成氦原子核，并释放出大量的能量。核聚变反应具有很多优点，如资源丰富、产生的废料少、不会产生辐射等。然而，目前实现可控核聚变仍然面临很多挑战，如如何保持高温和高压的条件、如何控制核聚变反应的连续性等。

三、应用和未来发展 核裂变和核聚变反应在能源产生、医学和农业等方面有着广泛的应用。核裂变反应可以用于发电，目前全球有很多核电站正在使用核裂变反应产生电力。然而，核裂变反应产生的放射性废料对环境和人类健康造成潜在威胁，因此如何正确处理和处置核废料是一个迫切的问题。

核聚变反应的应用在于解决能源危机和环境问题。相比核裂变反应，核聚变反应使用的燃料多为氢同位素，其资源更为丰富。如果可控核聚变能够真正实现，将会成为一种清洁、高效的能源解决方案。目前，国际上多个机构正在开展可控核聚变的研究和实验，如国际热核聚变实验堆（ITER）项目等。

核聚变 核裂变

核聚变（nuclear fusion），又称核融合、融合反应、聚变反应或热核反应。核是指由质量小的原子，主要是指氘，在一定条件下（如超高温和高压），只有在极高的温度和压力下才能让核外电子摆脱原子核的束缚，让两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核（如氦），中子虽然质量比较大，但是由于中子不带电，因此也能够在这个碰撞过程中逃离原子核的束缚而释放出来，大量电子和中子的释放所表现出来的就是巨大的能量释放。这是一种核反应的形式。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。核聚变是核裂变相反的核反应形式。科学家正在努力研究可控核聚变，核聚变可能成为未来的能量来源。核聚变燃料可来源于海水和一些轻核，所以核聚变燃料是无穷无尽的。人类已经可以实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸。

核裂变，又称核分裂，是指由重的原子核（主要是指铀核或钚核）分裂成两个或多个质量较小的原子的一种核反应形式。原子弹或核能发电厂的能量来源就是核裂变。其中铀裂变在核电厂最常见，热中子轰击铀-235原子后会放出2到4个中子，中子再去撞击其它铀-235原子，从而形成链式反应。

这两个过程都会释放出巨大的能量。前者释放的能量更大。

一种可控核聚变

利弗莫尔市研究人员启动了一项可以实现点火的紧急计划——即生

成一个可自我维持的核聚变反应堆，并制造出点火时所需的庞大能

量。

在每次激光射击中，八组光线在四组放大镜之间来回反弹并使能量增

加至2万倍。精心设计的放大镜阵列将使176束光线围绕球形反应

室的各个方向；然后最后一组光学镜片将会把红外光变成紫外线

（UV），并把它们集中到反应堆中心针尖大小的一个点上。

1053nm飞秒激光

飞秒激光（Intralase）是一种近红外光，它的波长是1053nm，由于

它神奇的特性，又被叫做‘神奇之光’。它是人类目前在实验条件下

能够获得的最短脉冲，它的精确性是±5微米；它还具有非常高的瞬

间功率，它的瞬间功率可达百万亿瓦，比目前全世界的发电总功率还

要多出上百倍；飞秒激光还具有精确的靶向聚焦定位特点，能够聚焦

到比头发丝的直径还要小的多的超细微空间区域；物质在飞秒激光的

作用下会产生非常奇特的现象，气态的物质、液态的物质、固态的物

质瞬间都会变成等离子体；用飞秒激光进行手术，没有热效应和冲击

波，在整个过程中都不会有组织损伤。

IFE任何项目的关键元素都是燃料胶囊——一种大小与干胡椒相仿

的用来盛放冷冻氘和氚（氢的同位素，是核聚变的燃料）的塑料球体。

这种被放在反应室中央的塑料胶囊被来自激光脉冲的极高温气化后，

会产生一种向内破裂的力量，把燃料挤压到铅密度的100倍，并将其加热到1亿开尔文摄氏度，这一温度足以为核聚变点火。

点火途径

无论人类利用这其中哪一种能源，归根结底都是在利用太阳能，而太阳的能量则是来源于核聚变，因此，人类如果掌握了有序地释放核聚

变的能量的办法，就等于掌握了太阳把一个氘原子核用加速器加速后和一个氚原子核以极高的速度

碰撞，两个原子核发生了融合，形成一个新的原子核——氦外加一个

自由中子，在这个过程中释放出了17.6兆电子伏的能量。这就是太

阳持续45亿年发光发热的原理。

第一步，作为反应体的混合气必须被加热到等离子态

这个时候，需要大约10万摄氏度的温度