当代物理学发展报告——聚变物理与等离子体物理进展

当代物理学发展报告——聚变物理与等离子体物理进展

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1、当代物理学发展报告——聚变物理与等离子体物理进展2007年05月11日05:18上一篇:http://hi.baidu.com/jhlb/blog/item/9451ab516a54218e8d543053.html四、聚变物理与等离子体物理进展A、受控热核聚变研究受控热核聚变研究旨在探索新能源,因此它是当代倍受世人瞩目的重要科研项目之一。在早期,这一课题的诞生经历了几十年的漫长时间。1.早期核聚变研究与劳孙条件19世纪末,放射性发现之后,太阳能的来源很快地被揭开。这一发现应首先归功于英国化学家和物理学家阿斯顿(Aston,FrancisWilliam1877~1945)。当时,阿斯顿

2、正在剑桥卡文迪许实验室,利用他所创制的摄谱仪从事同位素的研究。实验中他发现,氦-4质量比组成氦的4个氢原子质量之和小大约1%左右。几乎在同一时期,卢瑟福也提出,能量足够大的轻核碰撞后,可能发生聚变反应。1929年英国的阿特金森(deAtkinson,R.)和奥地利的奥特斯曼(Houtersman,F.G.)联合撰文①,证明氢原子聚变为氦的可能性,并认为太阳上进行的就是这种轻核聚变反应。在美国化学家尤里(Urey,HarroldClayton1893~1981)发现氢同位素氘不久,1934年,澳大利亚物理学家奥利芬特(Oliphant,MarcusLaurenceElwin1901~)用

3、氘轰击氘,生成一种具有放射性的新同位素氚,实现了第一个D-D核聚变反应。1942年,美国普渡大学的施莱伯(Schreiber)和金(King)又首次实现了D-T核反应。二战期间,美国洛斯阿拉莫斯实验室在研制原子弹的同时,也进行了早期核聚变反应的系统研究。二战结束后,英国与前苏联也秘密地开展了受控核聚变研究工作。核聚变是诱人的,英国天体物理学家爱丁顿(Eddington,SirArthurStanley1882~1944)早在1920年就预言①,”有一天,人类将设法把核能释放出来,为人类造福。”然而,实现这一目标却困难重重。仅以D-D反应为例,氘核带正电,发生聚变反应必须克服库仑斥力,使

4、两核接近到核子间距离,即10-13cm,必须具备10keV以上的能量。如果用加速器加速氘核,再使其轰击含氘的固体靶,加速氘核的绝大部分能量将损失在与电子碰撞的散射之中。还有人提出用两束高能氘核对撞实现聚变。这种想法很快被证明是行不通的,因为氘核在束中的平均自由程很大,两束氘核几乎是完全透明的。要使对撞发生,氘核束的密度必须很高,然而密度极高的氘核束很难获得,即使成功地制备了这种高密度氘核束,在氘核的互撞中,不可避免的多次库仑散射,将使偏转角很快地累计达到90°,而使氘核偏转离开原有的束流散失殆尽。在这种情况下,人们很自然地想到了无规则的热运动。如果设法将一团氘核约束在一起,并加热使其到

5、达足够的温度,核间频繁地碰撞,可望有核聚变发生。事实上,即使在聚变反应进行过程中,等离子体的能量也会通过多种途径不断散失。因此,如果热聚变发生,并且维持持续进行,不仅应保持高温等离子体的能量足够高,还要维持能量平衡,以达到聚变的自持条件。1957年,英国的劳孙(Lawson,J.D)计算了高温聚变等离子体能量平衡关系。他的考虑如下,若等离子体的密度为n,在温度为T时,如果不从外部获得能量,由于各种能量损失,等离子体最终将从高温降到室温,所维持的时间,称为能量约束时间τ。若维持能量平衡,可使聚变堆输出功率,经过效率为η的热功转变系统,转变为电能回授给等离子体,用来维持等离子体工作,并补偿

6、轫致辐射能量损失。如果维持能量的得失得当,聚变堆即可持续工作。以氘氚各半的等离子体为例,单位体积D-T反应的聚变功率为 E为每次反应释放的能量。其中第一项与第二项分别为轫致辐射与其它各途径的损失功率。由此,劳孙得到了等离子体释放的总功率为 根据劳孙的分析,为了把单位时间等离子体释放的总功率变为电能,用来加热等离子体,并补充轫致辐射损失,必须有ηP=P损。由此,劳孙得到如下结果:这一结果称为劳孙条件,它表明,等离子体达到聚变温度后,为了实现聚变反应能量得失相当,对等离子体密度n、约束时间τ都应有一定的要求。实现劳孙条件只表明聚变实现能量得失相当的最低情况,并没有多余的功率供输出使用。即使

7、如此,这一条件仍然难以实现。概括起来,这个条件应满足两点,这就是极高的温度和充分长的约束时间。例如,D-T反应时,Tc>5keV,nτ≥6×1013cm-3·s;而对D-D反应的要求就更苛刻,Tc>100keV,nτ=1016cm-3·s,这些数据称为劳孙判据。尽管实现这一目标,仅能达到聚变反应的收支平衡,它们仍被看作为聚变研究第一阶段的目标,因为只有实现了这一目标,才意味着受控热核聚变反应在科学上的可行性。劳孙判据的得出,标志着受控热核聚变理

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