磁约束在热核反应中的应用

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1、磁约束在热核反应中的应用理工科基础教学部06级物理学一班一组（江波；黄小炜；李通；李金宏；莫树猛；时瑞欢；陈小虎；郭文进）摘要：本文以磁约束在热核反应中的应用为中心展开讨论，并分析磁力线在闭合和开端两种情况下，如何起到作用。并且对环流器进行分析。关键词：磁约束热核反应环流器应用Absorb:Thisarticlelaunchesthediscussiontakethemagnetismrestraintinthethermonuclearreactionapplicationasthecenter,a

2、ndanalysismagneticlineofforceinclosedandbeginningtwokindofsituations,howplaystherole。andcarriesontheanalysistothecirculator。KeyWord:Magneticconfinement,thermonuclearreaction,circulator,application目前人类已经可以实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸。但是要想能量可被人类有效利用，必须能够合理的控制核聚变的速度和

3、规模，实现持续、平稳的能量输出。核聚变能释放出巨大的能量，但目前人们只能在氢弹爆炸的一瞬间实现非受控的人工核聚变。而要利用人工核聚变产生的巨大能量为人类服务，就必须使核聚变在人们的控制下进行，这就是受控核聚变。实现受控核聚变具有极其诱人的前景。不仅因为核聚变能放出巨大的能量，而且由于核聚变所需的原料——氢的同位素氘可以从海水中提取。经过计算，1升海水中提取出的氘进行核聚变放出的能量相当于100升汽油燃烧释放的能量。全世界的海水几乎是“取之不尽”的，因此受控核聚变的研究成功将使人类摆脱能源危机的困扰。但

4、是人们现在还不能进行受控核聚变，这主要是因为进行核聚变需要的条件非常苛刻。发生核聚变需要在1亿度的高温下才能进行，因此又叫热核反应。可以想象，没有什么材料能经受得起1亿度的高温。此外还有许多难以想象的困难需要去克服。尽管存在着许多困难，人们经过不断研究已取得了可喜的进展。科学家们设计了许多巧妙的方法，如用强大的磁场来约束反应，用强大的激光来加热原子等所谓磁场约束法即用特殊形态的磁场把氘、氚等轻原子核和自由电子组成的、处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限的体积内，使它受控制地发生大量的原子核聚变反

5、应，释放出原子核所蕴藏的能量。磁约束热核聚变是当前开发聚变能源中最有希望的途径，是等离子体物理学的一项重大应用。最早的著名方法是"托卡马克"型磁场约束法。它是利用通过强大电流所产生的强大磁场，把等离子体约束在很小范围内。在实验室条件下已接近于成功，。现在，依靠磁场对等离子体的约束作用使热核聚变等离子体的体积几个数量级地缩小的方法，这样，经过多年的研究，距离轴线为r不变。已经取得成效。平均起来，磁约束是个复杂的过程。就变成向轴线OO┡接近，它的第一步，到后来它仍旧向上漂移，也是磁约束首要的

6、作用，可以用处于均匀磁场中的等离子体的运动情况来说明。　图1表示一个放在磁场中的长圆柱形等离子体，磁场原来是均匀的，强度为Bo，它相对于环形轴线OO┡的上下左右位置不断地改变，磁力线平直而均匀分布，等离子体圆柱沿磁场Bo方向放置。因为，组成等离子体的带电粒子的运动可以分解成两个分量，漂移的情况发生变化。平行于磁场的速度分量为v〃，垂直于磁场的速度分量为v寑。比粒子的回旋半径大得多。按照法拉第电磁感应定律，带电粒子运动切割磁力线时，会受到电磁感应产生的洛伦兹力的作用，洛伦兹力的大小为qvBsinθ，这样

7、，方向和粒子速度v及粒子所在处的磁场B垂直，式中q是粒子所带的电荷，θ是v和B之间的夹角。对于粒子在平行方向的运动，θ=0，使磁力线沿环形前进时向箭头所指的方向扭转，洛伦兹力为0，不受磁场的影响，因此粒子保持它原有的速度v〃沿磁力线方向运动。对于粒子在垂直方向的运动，取一条经过小圆周上A点的磁力线，θ=90°，其中心线是大圆周的环形轴线。洛伦兹力为qv寑B0，这个力使粒子在垂直于B0的平面上作圆形的回旋运动，作这一圆周运动所需的向心力mv*v/r由洛伦兹力提供，即qv寑B0=mv*v/r，
　　

8、磁力线的旋转变换 　解决简单环形磁场中正负电荷分离因而发生电漂移的基本方法是，式中m是粒子的质量，r是圆周的半径。有如在电容器的两端，由此可推得，造成电荷正负分离积累，粒子回旋运动的半径为r＝mv寑/qB0。分别朝着图3等离子体柱截面的上方和下方漂移，例如，磁场为1特斯拉时，能量10千电子伏的氘核或氚核，平均的回旋半径不到2厘米;