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1、第四章:核聚变 高温等离子体应用,核能 氢弹-无控核聚变 受控核反应堆 核聚变优点,原理 等离子体中的电流 磁控的概念 不稳定性 惯性约束的概念 可能性 及世界合作,核能是20世纪人类的一项伟大发现. 1938年德国科学家用中子轰击铀原子核,首先发现核裂变现象. 核裂变链式反应: 当中子撞击铀原子核,一个铀原子核吸收一个中子 而分裂成两个较轻的原子核,同时发生质能转换,放出能量.并产生 2-3个中子. 核聚变:从太阳能源 获得启发.用氢的同位素:氘和氚的聚合反应 生成氦核并放出一个高能中子. 质能转换放出更大能量. 1919年首先证实了轻元素以足够大能量碰撞引起核反应现象. 核能(原子能) :
2、是在原子核发生变化的过程中释放出来的能量. 太阳能:就是原子核发生变化,在高温,高密度气体完全电离的等离子体条件下, 轻 原子核聚合成较重原子核而释放的能量,即 氢原子=氦原子.称为核聚变. 爱因斯坦的质能守恒公式(非相对论) E = MC 从理论上解决了质量和能量转 换关系.,原子及原子核:高中物理的内容. 原子由原子核及围绕其运动的电子组成.原子核带正电,电子带负电荷. 电子按一定轨道围绕原子核运动. 正点荷与负电荷相等,原子不带电. 原子核通常由质子和中子组成.化学元素表按质子数排序. 质子带正电,中子不带电,质量相同.一个质子就是一个氢原子核. 如铝的原子核内,包括13个质子,14个中
3、子,它的质量数是27.电子数13. 电子按一定层次排列.,原子核的结合能:,原子核的半径很小,质子带正电荷.同类电荷粒子的库仑斥力很大. 但通常原子核是稳定的.什么原因使核子结合在一起成为原子核? 答案:除了库仑斥力外, 还有另一种更强的力把各核子紧拉在一起.称之为 核力。正在研究中。 核力只在很小距离内起作用,超过距离很快减小到0 . 质子和中子的半 径约 0.8 米，每个核子只跟它相邻的核子间才有核力的作用。 结合能：要把原子核拆散成核子，需要克服核力做功。即需要巨大能量。而相反的过程再结合过程，则放出巨大能量。 定义： 核子结合成原子核时要放出一定的能量，原子核分解成核子 （质子或中子）
4、时克服核力要吸收同样多的能量，这个能量叫 做原子的结合能。 核子在结合成原子核时,由于有核力的作用,必须释放一定能量原子 核的质量跟组成它的核子的质量比要小一些.,原子核结合能与组成该原子核的核子数之比 称为原子核核子的平均结合能 -即一般说的核能(原子能). 核子=质子和中子的统称. 核子在结合成原子核时 由于有强大的核力作用,必须释放一定能量,所以原子核 质量要小一些. 规律:原子核核子的平均结合能随原子质量数而变. 质量数较小的轻核(如氢)及质量数较大重核(如铀)其核子平均结合能均较小. .质量数中等的核子平均结合能大, 即结合成较中等质量数的原子核时放出较大能量. 裂变-将重核裂变为质
5、量数中等的原子核. 聚变-将轻核聚变成质量数较中等的原子核, 都释放核能. 轻核的核子平均结合能更小些(曲线下降快). 当由轻核聚变成较重原子核时, 释放能量更大.,不可控核聚变: 氢弹 20世纪初发现原子核中蕴藏巨大能量.第一代,不可控核聚变: 氢弹 20世纪初发现原子核中蕴藏巨大能量.第一代核武器原子弹(核裂变链式反应),不可控核聚变: 氢弹 20世纪初发现原子核中蕴藏巨大能量.第一代核武器原子弹(核裂变链式反应) Pu239,U 235,在热中子轰击 下分裂,并放出中子. 氢弹:第二代核武器,核聚变,热核反应,数千万度 高温和超高压下实现.用小型原子弹引爆. 氘,氚,氘化锂为核装药.单位
6、质量释放的能 量一般为裂变反应4倍以上. 中子打在锂上会产生氚,和氘反应产生氚 和中子. 氢弹制成说明可以人工产生核聚变.但不 可 控.爆炸释放能量.危害人类,国际上 现不再做试验. 为何叫氢弹? 原子核愈轻,所带电荷愈少,产生聚变反应所需能量愈低,故采用氢的同位素.,普通炸药引爆,装药为两块,均小于 临界质量.引爆时,被推挤到一起.大 于临界质量.产生链式反应。百分之几秒.,中子弹: 小型氢弹.氘氚混合物.外壳用铍和铍合 金 ,高能中子可逸出.大量高能中子辐射. 穿透作用强,可穿透坦克,砖墙. 利用核聚变, 产生大量高能中子.放射性污染较低,可制成炮弹或导弹头. 凡是核武器都有核辐射,冲击波
7、,光辐射,放射性污染和电磁脉冲等杀伤力.各自比例不同: 原子弹 : 冲击波+ 光辐射 85% 1945年8月5号,美国投到日本两个小城市广岛,长崎的原子弹, 当量很小, 23万吨黄色炸药.在上空500米的高度爆炸. 闪 光照亮整个日本岛.原子弹的蘑菇云几万英尺高. 氢弹 : 冲击波+ 光辐射 65% 1957年第一颗氢弹(美) ,1961年10月世界上最大一次核爆炸 (苏联).核污染范围达4000公里,苏军整个通讯失去联系一个多 小时.产生的电磁扰动3次传遍全球.不再进行核爆炸试验. 氢弹的使用带来的将是世界末日. 中子弹:核辐射+ 电磁脉冲 70% 1 千吨梯恩梯当量的中子弹, 在距地面90
8、米的低空爆炸,其冲 击波,光辐射和放射性污染在周围180米以内. 而快中子流及 中子流贯穿辐射,与周围介质的原子作用产生的电磁脉冲的杀 伤半径达800 米.,核反应堆 作为能源的必要性: 核能的和平利用 1kg 煤 =3 千瓦小时电. 油 = 4 千瓦小时 1kg 铀 = 7乘10 6 千瓦小时. 无燃烧,故无大气 污染及大气温室效应. 是人类持续发展的必要. 裂变堆: 种类繁多.目前进展-重水堆,快中子堆. 重水堆；可使用普通铀,用重水作为慢化剂,减慢 中子速度,不吸收中子.铀238 可转化成 钚239.重水：D2O. 氘化水。 核燃料利用率高。 目前,90% 能源来自石化燃料,导致严重污染
9、.如温室效应;剧烈天气变化,酸雨;水污染;臭氧层空洞;且消耗宝贵,十分有限资源.,核聚变反应放出能量远非这些石化燃料能比拟, 高100万倍以上. 核裂变反应堆: 中国已建(例)；秦山核电站三期 与加拿大合作,重水堆.已并网发 电;江苏连云港田湾,双层壳,已商业运行;深圳大亚湾,引进外资,压 力堆,94年商业运行,70%供给香港. 1971年我国第一艘核潜艇建成下水. 中法合资台山核电站 压水堆. 2007年签约. 到2002年底,全世界有441台核电机组在运行,生产电力占世界 总发电量17%.,裂变堆: ( 非等离子体 ) 1. 原料. 自然界中能直接用于核燃料的只有U 235 ,铀矿中 0.
10、7% 钍232 有放射性,在地壳中含量约6%,印度较多,易提炼，在受到中子 冲击后 =U 233, 可作为核燃料。开发阶段. 2.裂变条件.中子轰击. 裂变时放出中子=链式反应. 3.可控方法:中子减速.慢化剂.调节中子速度,数量. 4.问题: 辐射污染,原料有限.一般的反应堆,99%燃料剩下. ( 铀238 为主).,快中子增殖反应堆: 铀235 + 慢中子=裂变+ 快中子 铀238 + 快中子= 钚239 钚239 + 快中子= 裂变 在开发试验中.最早美国. 可几乎100%利用铀资源. 总效率可达60-70% 中国与俄罗斯合作.计划2010年并网发电. 2010年5月,日本重启14年前因
11、核泄漏事故停运行的快 中子增殖反应堆. 并宣布将与法国,美国合作开发快中子 增殖反应堆.,核聚变,核聚变堆: (等离子体)-氘氚聚变反应 能量巨大,来源丰富; 干净无污染; 安全可靠; 廉价经济. 远期计划. 进展: 欧洲环形核聚变实验,磁控反应堆.持续时间 2 分钟,核心温度3亿度,比太阳内部温度高20 倍. 2009年激光输出功率已达到足以点燃核聚变 (惯性约束聚变) 1991年11月欧洲1.8秒钟核反应,激光功率达100万亿瓦.,核聚变反应堆 :,原料: 氘在海水中藏量丰富,40万亿吨.氚靠中子同锂作用产生.锂藏量丰富(陆地海水). 安全:一旦某环节出问题,温度下降,自动中止. 产物:氦
12、,无害.不产生裂变电站长寿命高放射性废物. 聚变反应产生的高能中子有 广泛用途,产生氚及裂变用燃料;处理长寿命高放废物. 聚变原理: 第一步:使燃料处于等离子体状态,充分电离,温度足够高,电子 逸出,原子核才可能克服斥力聚合在一起.如果同时有足够密度,及足够长的热能 约束时间,聚变反应就可稳定,持续运行. 目前两种研究方案: 磁约束; 惯性约束. 1.磁约束:利用强磁场可以约束带电粒子的特性. 2.惯性约束: 依靠物质的惯性将等离子体约束住,使核心处温度,压力骤升 产生聚变.在不稳定的等离子体中实现核聚变. 氢弹也属于惯性约束聚变.但不可控.用原子弹所产生的高温高压 使氢弹中的聚变燃料挤压在一
13、起,在飞散之前产生大量聚变.,同位素: 指质子数,电子数均相同,但中子数不同的同一类原子. 氘无放射性,氢的同位素. 其原子核: 1个质子+1个中子 氚-有放射性(半衰期 10年).但自然界无.用中子轰击锂产生. 1个质子+2个中子 氘原子+ 氚原子 =氦4 原子(2个质子+2个中子) +1个中子(高能). D + T 4He + n 为何用氘+氚,不是两个氘原子聚合? 回答: 因为氘与氚的聚合反应 最容易实现. 实现核聚变条件: 高温: 要使所有电子都从原子中跑出.完全等离子体态.上亿度. 高压:将原子挤在一起,原子之间距离在10 米内. 反应速率是温度函数,在温度达数亿度时有最大值.,劳森
14、判据: 自行维持反应系统的条件. 所供能量使燃料达到点火温度,且具有实用性,必须使热核反应放出的能量 至少要和加热燃料的能量相当. 为达到这一目的,须保证核燃料有足够的 密度,同时,由于等离子体不易稳定,须设法延长等离子体存在时间. 也就是说, 密度n 增加,碰撞机会多,反应更充分,而稳定时间长,反应才可能充分. n(离子数密度) (稳定时间) 常数. 温度8 K, 上亿度 称为劳森判据. 对氘-氘反应, 如用 n 表示每立方厘米的离子密度，时间 以秒为单位，此常数 为 510. 对氘-氚反应而言,此常数为 210 . 即: 如果n 为 ,则 稳定时间至少需要秒钟.,磁约束核聚变堆原理图:,磁
15、场对等离子体作用:一些基本概念 1.带电粒子在磁场中的运动 匀稳磁场; 非均匀磁场; 2.带电粒子流所产生磁场 3. 等离子体的不稳定性 环形托卡马克聚变堆进展; 欧,美磁约束核聚变装置使用氘氚 混合燃料获得过上亿度的等离子体 且获得上万千瓦输出. 我国目前拥有两台实验装置;合肥, 全超导非圆截面托卡马克,已两次 成功放电. 成都,中国环流器2号, 2006年获得等离子体电子温度 5500万度.,均匀磁场中: 带电粒子绕磁力线作螺旋运动. 沿B方向V不变, dV平行/dt =0.(或等于常数）。洛仑兹力与V 垂直 垂直,不做功. 回旋半径 圆周半径. 运动方程：mV/r = qV Bo 沿垂直
16、方向 粒子动能= mv= 常数 r = mv/qBo 半径随磁场强度变小。 非均匀磁场: 磁场强处回旋半径小,弱处回旋 半径大=有回折的震荡曲线.每 一次粒子在弱磁场经历的时间,路程 长.=被推向磁场较弱处.另外产生 横向漂移从而影响等离子体稳定性.,带电粒子流产生的磁场: 带电粒子运动会产生磁场.见图: q 为一带正电粒子沿Z向运动,产 生的磁场沿圆柱坐标切向. 如果 另一同号电荷粒子也沿Z向运动. 它将受到指向Z 轴的洛仑兹力,而 原粒子也将受到此粒子的磁场作 用力. 两个带电粒子的磁相互作 用使它们一起被压缩. 等离子体中有电流流过时产生的磁场: 图中一个通有纵向电流的等离子 体圆柱,内外均有磁场.圆柱体内 运动的正负电荷粒子与磁场作用 使粒子都向中心靠,起了磁压缩的 作用.如果此压缩力足以克服等离 子体热运动的压力,柱将变细.称为 等离子体自磁压缩.(
