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  • [分享]核聚变——人类未来能源的希望

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  • lilyshine
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  • 发表于:2008-11-14 14:51:48

人类赖以生存的地球,正在超负荷运行;工业化的文明,不仅使人口几何倍数的增长,而且对能源的需求也以骇人的速度增长。依靠大量燃烧煤、石油等石化燃料获得能源,不仅有能源枯竭之虞,也给现代社会带来了许多难以解决的灾难性问题——资源短缺,森林植被破坏,环境污染, 温室效应等等。在保护和改善环境的前提下,开发利用新兴能源,是人类生存和社会发展的必然趋势。20世纪30年代,随着对原子核研究的深入,人类发现了原子核内蕴藏着巨大的可开发的能量,并开始和平利用原子能的研究。半个多世纪的努力,迄今世界上已有30多个国家建造核电站440多座,发电量占全球的18%。与火电相比,核电是廉价、洁净、安全的能源;伴随着受控热核聚变的即将成功,核能必然成为未来的能源支柱,人类将从“石油文明”走向“核能文明”。

何谓核聚变(nuclear fusion)?世界上每一种物质都处于不稳定状态,有时会分裂或合成,变成另外的物质。物质无论是分裂或合成,都会产生能量。由两个氢原子合为一个氦原子,就叫核聚变。太阳的巨大能量就是由核聚变产生的。核聚变的产生机理:原子核都是由质子和中子组成的,质子和中子统称核子。任何一个原子核的质量总小于组成它的所有核子的质量和,也即核子在组成原子核的过程中,发生了质量亏损,其亏损等于核子结合为核时质量的减少值,用△M表示。根据爱因斯坦质能关系△E=MC2,可知自由核子在结合成原子核时要释放能量,这个能量称为原子核的结合能B。B=(ZMp+NMn-M)C2=△MC2,其中Mp、Mn、M分别为质子、中子、原子核的能量。一个氘核和一个氚核聚合成氦核时,有17.6Me的能量放出, 相当于200千克煤的燃烧热。可见在原子核内蕴藏着大量可利用的能量,轻核的聚变可以获得大量的能源。

核聚变作为最具有发展前景的新兴能源,其主要的魅力在于:一、核聚变反应的燃料极其丰富。核聚变燃料是氢的同位素氘、氚及惰性气体氦-3。氘和氚在地球上蕴藏极其丰富。据测,每1升海水中含30毫克氘,而30毫克氘聚变产生的能量相当于300升汽油,这就是说,1升海水可产生相当于300升汽油的能量。一座100万千瓦的核聚变电站,每年耗氘量只需304千克。氘的发热量相当于同等煤的2000万倍,天然存在于海水中的氘有45亿吨,把海水通过核聚变转化为能源,按目前世界能源消耗水平,可供人类用上亿年,可以说是取之不竭的能源。锂是核聚变实现纯氘反应的过渡性辅助“燃料”,地球上的锂足够用1万年~2万年,我国羌塘高原锂矿储量占世界的一半。科学家们发现,以氦-3为燃料的核聚变反应比氘氚聚变更清洁,效益更高,而且与放射性的氘氚不同的是氦-3是一种惰性气体,操作安全。下世纪初,人类将在月球上开采地球上不存在的氦-3矿藏,用于代替氚,从而使目前世界各地建造的实验性聚变反应可以攻克关键性的难关,使其走上商用成为可能。二、核聚变能源既干净又安全。目前的核电站主要是利用铀核裂变反应释放出的能量来发电的,而铀核裂变会产生放射性裂变产物,如果处置不当,就可能污染环境和威胁人类健康。利用激光核聚变建造的聚变能电站由于聚变反应本身不会产生放射性污染,而诱发聚变反应的又是不产生污染的激光,因此,聚变能是一种没有污染的干净能源;同时受控核聚变反应可在稀薄的气体中持续地稳定进行,由于核聚变需要极高温度,一旦某一环节出现问题,燃料温度下降,聚变反应就会自动中止。也就是说,聚变堆是次临界堆,绝对不会发生类似前苏联切尔诺贝利核(裂变)电站的事故,所以它又是安全的。三、核聚变能源与太阳能、水能、风能、地热能等清洁能源相比,可以不受时间和地域的限制, 通过激光核聚变可以为人类找到一种取之不尽、用之不竭、既经济又实惠的能源。随着激光核聚变研究的不断深入,在不远的将来,人类完全可以用安全、清洁、廉价、丰富的聚变能发电。而这种能源是除了传统的石油、煤等以外,人类最有希望获得的干净能源。综上所述,可以看出,核聚变为人类摆脱能源危机展现了美好的前景。

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  • lilyshine
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  • 发表于:2008-12-12 13:04:29
虽然聚变能的开发,将“一劳永逸”的解决人类的能量需求。但是和平利用聚变能还很难实现。实现聚变反应的条件是反应中的原子核必须具有很高的能量来克服两个电子之间的静电斥力。据测算,这样的能量将使氘核的温度达到5.6108k,此时气体早已离化成原子核和电子的集合体——等离子气体,所以实现聚变的难度很大。对于核聚变的此类“点火”问题,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W,足以“点燃”核聚变。下图1是科学家激光“点火”技术试验图。除激光外,利用超高额微波加热法,也可达到“点火”温度。世界上不少国家都在积极研究受控热核反应的理论和技术,美国、俄罗斯、日本和西欧国家的研究已经取得了可喜的进展。我国在受控核聚变领域也取得了骄人的成绩,我国自行设计和研制的最大的受控核聚变实验装置“中国环流器一号”,已在四川省乐山地区建成,并于1984年9月顺利启动,它标志着我国研究受控核聚变的实验手段又有了新的发展和提高。 1999年12月30日,我国中科院等离子体物理研究所的HT-7超导托卡马克实验获得了稳定可重复的准稳态等离子体,放电时间长达10 71s,标志着中国磁约束核聚变研究的综合实力和技术水准达到了国际水平。

随着受控核聚变技术的发展,在不久的将来,人们便能用上源源不断、洁净无污的核电能了, 人类也将最终解决困扰世界的能源危机,我们期待着这一天的到来!

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图1 科学家用的千万亿瓦特雷射光(petawatt laser)设 备

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图2 科学家构思实验的过程

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  • lilyshine
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  • 发表于:2008-12-12 13:04:45

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图3 科学家拍摄到电子的照片

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图4 “中环二A”核聚变试验装置 图5 核工业环流器实验技术实验室