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受控热核反应

来源: 中国核电信息网 发布日期:2011-06-16

  实现受控热核反应,首先就要加热聚变物质,达到几千万度乃至上亿度的高温,使热核反应能够发生.这可以用输入大功率的电磁波、注入高能量的中性粒子或带电粒子束、绝热压缩、欧姆加热(在电阻性等离子体中由电流耗散的焦耳热)等方法来解决.其次是要把一定密度的高温等离子体约束一定的时间,使其不致扩散,以便产生足够数量的聚变反应,来抵偿加热过程中消耗的能量.只有这样,才能达到“点火”的目的,使热核反应持续不断地进行下去.

  怎样来约束等离子体呢?用普通的容器是不行的,因为没有任何一种容器能承受几千万度的高温.目前采取的办法有两种.一种是用磁场来约束.我们知道,带电粒子在磁场中或者是沿磁力线运动,或者是绕磁力线旋转,磁场越强,带电粒子旋转的半径越小.所以强磁场能起约束等离子体的作用.目前,很有前途的一种磁约束装置——托卡马克装置,就是利用磁场把聚变物质约束在环形室内.它的基本原理是,把盛有聚变物质的金属环形室装在变压器上做次级线圈,初级线圈跟充电的电容器连接.当电容器通过初级线圈放电时,环形室中就有大电流的气体脉冲放电,放电时还产生环绕电流的磁场,使等离子体被压缩到环形室的中心部分.压缩作用和电流的欧姆热都使等离子体的温度升高.环形室的外面还绕有线圈,放电时有电流通过,产生环向磁场(图9-10).但是,由于高温等离子体很不稳定,而且能够强烈地向外辐射能量,所以要把它们约束较长的时间又能保持高温,是很不容易的.根据劳逊判据,达到能量得失相当的条件,仅与等离子体密度n和约束时间t有关.对于氘-氚反应,所需nt的最小值为1014cm-3·s;对于氘-氚反应,nt的最小值为1016cm-3·s.美国普林斯顿等离子体物理实验室于1982年12月建成的大型托卡马克聚变试验装置(Tokamak Fusion Test Reactor,简称TFTR)是目前世界上最先进的试验装置之一.根据最近的报导,该装置可望于1989年实行氘-氚反应运行时,达到释放的核聚变能量与输入的能量“得失相当”的阶段.

  另一种约束方法,是利用聚变物质的惯性进行约束.先把氘、氚制成液体或固体的靶丸(半径0.1毫米到几毫米),用激光(或高能带电粒子)从四面八方进行照射(图9-11),在10-9秒的时间内把靶丸加热到1亿度的高温,表层物质迅速气化,产生一个向心的压力,使球内物质密度增加1万倍从而实现聚变反应.因为引爆的时间非常之短,聚变物质由于自身的惯性,还来不及扩散就产生了核反应,所以叫惯性约束.这种用激光引爆的热核反应跟氢弹一样难以控制,但由于每次参加热核反应的物质很少,所以可以用一连串的微型“聚爆”达到连续燃烧的目的.不过采用这种约束方法,目前达到的密度压缩还不够大,与理论上的点火条件,还有相当大的距离.

  从目前情况来看,有实际应用价值的受控热核反应装置,可能要到下个世纪才能实现.

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