核聚变与国家点火装置

核聚变与国家点火装置默认分类 2009-05-07 22:58 阅读314 评论0字号：大中小氢弹的核装药可以用氘和氚，在它里面装有一颗小型原子弹作为引爆装置。

爆炸时，先用雷管将普通炸药引爆，将分开的核装药铀235 和钚239迅速地压拢在一起，起爆小型原子弹，产生上千万度的超高温，使氘、氚产生聚变反应。

另有一种以氘和锂为核装药的“干式”氢弹。

氢弹内部用来引爆的原子弹爆炸后，产生超高温的同时还产生大量的中子，而锂在中子的轰击下又产出氦和氚。

氘化锂中的氘和新产生的氚，又在超高温条件下发生聚变反应，产生氦核和中子，并放出大量的能。

氘和氚的核聚变反应提高了反应温度，又会加速氘和氚的聚变反应速度。

此后，人们又研制成了一种氢铀弹。

它的中心是铀235或钚2 39，周围是氘化锂，再外面是铀238。

最里面的是引爆用的原子弹。

原子弹爆炸时，发生重核裂变反应，引起氘化锂产生轻核聚变反应；而由聚变反应产生的快中子来轰击铀238，使铀238也发生裂变反应。

这种氢弹比其它氢弹的威力大，但放射性污染很严重，所以被称为“肮脏”的氢弹。

介绍氢弹主要是为了介绍核聚变，所谓的核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。

核聚变有以下几种反应过程：过程1主要是用氘和氚作为核燃料，生成氦后，会释放出17.58MeV的能量；过程2是纯氘为原料的，总共释放出43.15MeV能量，平均每个核子贡献3.6MeV，而裂变时每个核子仅贡献0.85MeV。

过程3主要用于氢弹中，上面已经介绍过了。

如果我们要像核裂变一样地使用核聚变，那就要实现受控核聚变，但是聚变不像裂变那样好控制。

氘核是带电的，由于库仑力的存在，室温下氘核是不会聚合在一起的。

为了使氘核聚合在一起（靠短程的核力，即强核力），就必须克服长程的库仑斥力。

但是核子之间的距离小于10fm时才会有核力的作用。

通过公式计算得出那时的库仑斥力将达到144KeV，如果两个氘核要聚合，那么每个氘核至少要有72KeV 的能量。

把它换算成平均动能（3/2kT，平均动能是一个和温度有关的量，式中的T就是温度）的话，那么相应的温度为T=5.6×108K，即为5亿6千万K，但是要考虑到某些粒子会穿过反应物质，其次，不少的粒子的动能比平均动能大，这样理论聚变温度可降为10KeV，即1亿K左右，但是这还是一个很高的温度。

在那么高的温度下，由于热运动剧烈，彼此猛烈碰撞，原子就会电离成正离子和自由电子，形成了物质的第四态——等离子体。

1940年前后，阿尔芬（Hannes Olof Gosta Alfven，1908—1995）开拓了磁场中导电气体的磁流体动力学的研究领域。

磁流体动力学理论描述等离子体（在高温时电离原子和电子的混合物）在磁场存在时的流动行为。

他是首先意识到等离子体是宇宙中比固态、液态或气态更为普遍的物质状态的科学家。

1942年，他在太阳黑子的研究中发现了太阳中电离气体的磁流体波，现在称之为阿尔芬波。

这种磁流体动力波，也可以存在于晶体和地球的大气层中，甚至到处可以发现，它对理解许多等离子体现象都很重要。

阿尔芬关于磁流体动力学的研究对于受控热核反应的发展，超音速飞行，为外空推进器提供动力以及飞行器重新进入地球大气圈时的制动都起着非常重要的作用。

等离子体宏观上的电中性，是指它所含有的正电荷和负电荷几乎处处相等。

在等离子体中，带电粒子之间的相互作用主要是长程的库仑力。

由于等离子体由带电粒子组成，在有外磁场存在的情况下，等离子体的运动将受到磁场的强烈影响和支配。

因此就有可能实现可控核聚变。

要想实现可控核聚变，还要两个条件：等离子体的密度必须足够大；所需的温度和密度必须保持足够长的时间。

1957年劳逊（wson）把这三个条件定量地写成：式中n表示等离子体密度（每立方米氘或氚核的数目），τ表示等离子体约束时间（秒），T表示等离子体温度（K，即开尔文温度）。

要把1亿K的等离子体在一个容器中维持一段时间可不是一件容易的事情，这个容器不仅不能导热，还不能因等离子体与容器的碰撞而降温。

世界上恐怕没有这样的装置，那就寄希望于用磁场或引力等来约束等离子体了。

太阳的质量约为1.989×1022吨，中心密度大约为每立方厘米可达160 克，中心温度大约为1亿5千万度，每秒钟约有6亿吨的氢核聚变为5.96亿吨的氦，释放出相当于400万吨氢的能量。

由于太阳巨大的质量，引力约束足以达到核聚变的点火温度。

但是在地球上似乎是不可能用引力约束来达到核聚变的点火的。

不过我们可以使用磁约束和惯性约束来实现和聚变。

目前我们使用的几种可控核聚变方式：超声波核聚变、激光约束（惯性约束）核聚变、磁约束核聚变（托卡马克）。

首先来介绍一下气泡室。

气泡室是格拉塞（Donald Arthur Glaser，1926—）于1952年发明的，当时鲍威尔（Cecil Frank Powell，1903—1969）的核乳胶技术和威尔逊的云雾室在检测低能粒子时很有用，但是，要探测和确定一些高能粒子，在技术上就要要求能在比威尔逊云室更快和更长的路径上做出记录，同时还要克服鲍威尔核乳胶技术中无法把中性粒子与事件准确联系起来的困难。

气泡室是一种装有透明液体（如液体氢、氦、丙烷、戌烷等）的耐高压容器。

它是利用在特定温度下通过突然减压使某种工作液体在短时间内（一般为50毫秒）处于过热的亚稳状态而不马上沸腾，这时若有高能带电粒子通过就会发生局部沸腾，并在粒子经过的地方产生大量的气泡，从而显示出粒子的径迹。

根据径迹的长短、浓淡等数据，便能清楚地分辨出粒子的种类和性质。

气泡室，因密度大、循环快，它所搜集到的各种信息大约是云雾室的1000倍。

但是，到了1954年时，由于某些粒子的寿命远比理论模型所预言的产生时间长得多，阿尔瓦雷斯（Luis W. Alvarez，1911—1988）就设计液氢气泡室。

随后，阿尔瓦雷斯及其研究小组逐步增大气泡室的尺寸，并于1959年建成了直径为72英寸的巨大的氢气泡室。

阿尔瓦雷斯还对径迹灵敏的装置应用了投影显微镜，并根据径迹在磁场中的弯曲程度来确定与每条径迹相应的粒子的动量。

然后，根据一个“运动学程序”，计算机辨认出一次事例中每个粒子的“名字”。

到1968年，经过改进的仪器，每年测量的事例量超过100万件，几乎等于所有其他实验室工作量的总和。

超声波核聚变就用到气泡室，就是利用超声波轰击氘氚混合溶液(加料是重水)，理论上可以引发低温核聚变，超声波会在溶液中形成气泡，气泡长大，破裂的瞬间可以产生百万甚至千万度的高温，从而引起核聚变。

还有一种就是惯性约束，惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体，装入直径约几毫米的小球内。

然后从外面均匀射入激光束或粒子束，使球内的物质球面因吸收能量而蒸发。

那么里面的物质就会向外膨胀，但是会受到球面内层向内挤压，这种作用力是一种惯性力，靠它使气体约束，所以称为惯性约束。

惯性约束其实就是把一定量的物质聚集在一定空间中，当温度升高时由于体积的不变，平均碰撞频率也急剧变大，那么平动动能也就越大，当达到点火温度时就能实现核聚变了。

关于核聚变的“点火”问题，随这激光技术的发展，使可控核聚变的“点火”难题有了解决的可能。

目前，世界上最大激光输出功率达100万亿瓦，足以“点燃”核聚变。

除激光外，利用超高频微波加热法，也可达到“点火”温度。

托卡马克装置的结构图目前世界上最常用就是托卡马克磁约束装置，Tokamak来源于拉丁文的环形（toroidal）、真空室（k amera）、磁（magnit）、线圈（kotushka），就是利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。

最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。

托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。

在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。

等离子体在托卡马克装置中的状态1968年8月在苏联新西伯利亚召开的第三届等离子体物理和受控核聚变研究国际会议上，阿齐莫维齐宣布在苏联的T—3托卡马克上实现了电子温度 1 keV，质子温度0.5 keV，nτ=10的18次方s/m3，这是受控核聚变研究的重大突破，此后，在国际上掀起了一股托卡马克的热潮，各国相继建造或改建了一批大型托卡马克装置。

其中比较著名的有：美国普林斯顿大学由“仿星器—C”改建成的ST Tokamak，美国橡树岭国家实验室的奥尔马克(Ormark)，法国冯克奈—奥—罗兹研究所的TFR Tokamak，英国卡拉姆实验室的克利奥(Cleo)，西德马克斯—普朗克研究所的Pulsator Tokamak（PLT）。

几年之后，我国也开始了有关托卡马克的研究，小型托卡马克CT—6装置于1975年投入运行。

20世纪70年代后期以来，核聚变研究无论在理论方面还是实验方面都取得了许多重要进展，托卡马克等离子体参数大大提高了。

1978年，在PLT托卡马克上采用中性注入加热法，使离子温度提高到了7.6 keV。

70年代后期开始建造4个大型托卡马克：美国的伽；日本的JT—60；欧洲的JET和前苏联的T—15。

前3个装置在80年代初期已分别建成并投入运行，取得了重大进展。

托卡马克装置1986年，伽的超级发射放电创造了离子温度的世界记录，高达20keV，超过了聚变点火的要求．目前，欧洲的JET托卡马克装置和美国的TFTR装置，都曾在实验中使装置内温度达到已达到32 KeV，即3亿摄氏度，而且约束性能也有很大改善。

人类已经在1991年11月9日在JET上首次成功实现了D-T 等离子体聚变反应，创造了第一个人造小太阳(维持了1.3秒钟)。

1993年，美国的TFTR使用氘氚各半的混合燃料，使温度达到3亿至4亿摄氏度，两次实验释放的聚变能分别为0.3万千瓦和0.56万千瓦。

199 7年9月22日，欧洲的JET装置又创造出功率为1.29万千瓦的世界纪录，持续时间2秒。

之后，仅过3 9天，输出功率提高到1.61万千瓦。

Q值(输出功率与输入功率之比)接近1，后来，Q值又超过了1.25。

在JET上，还达到了更高的等效能量增益因子，大于1.3。

1998年3月日本名古屋核融合科学研究所投入运行的大型螺旋装置（LHD）是当今超导磁体技术水平的典型代表。

2002年9月，法国卡达拉奇（Cadar ache）核研究中心的TORE—SUPRA超导托卡马克装置持续了4分25秒的连续放电，2003年12月，又在实验中取得了连续放电360秒的可喜成绩。

2006年9月28日，中国耗时8年、耗资2亿元人民币自主设计、自主建造而成的新一代热核聚变装置EAST（HT-7U超导托克马克）首次成功完成放电实验，获得电流200千安、时间接近3秒的高温等离子体放电。