高中物理 第4章 核能 第4节 核能的利用与环境保护 受控热核反应素材 鲁科版选修3-5

《高中物理 第4章 核能 第4节 核能的利用与环境保护 受控热核反应素材 鲁科版选修3-5》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、受控热核反应受控热核反应是一门新兴的学科，至今才有二十余年历史。由于工农业生产的发展，能源的需要急剧上升。据统计世界能源的需要每八年翻一番。受控热核反应是核能利用的第二条途径，有可能是一个新的廉价的巨大能源，因此这门学科受到各国的普遍重视，发展极为迅速。　　1．受控热核反应棗未来世界能源问题比较彻底解决的途径。　　虽然重核的裂变为人类提供了一个崭新的能源，但仍然有它一定的局限性，譬如核燃料工艺复杂、费用昂贵、使用之后废物综合处理困难等都还一时难以解决，而且铀燃料的储量毕竟还是有限，所以还得寻找一项更为理想的核能利用途径。热核反应

2、所需要的原料是重氢（即氘），它含在普通的水中，而水则遍布地球的五洲四大洋。据估计，仅从海水中提取的氘，就可供人类使用200亿年，因此可以说，受控热核反应这个新的核能源是取之不尽、用之不竭，是解决未来世界能源的一个重要方向。　　除了原料来源极端丰富之外，热核反应还具有如下几个独特优点：它单位质量释放能量比裂变反应释放能量高3～4倍；热核反应之后最后生成物是α粒子与中子，放射性少，放射性寿命短，比裂变过程要干净得多；从热核反应中得到大量的中子，它可以用来生产核武器中的重要原料“钚”。所以受控热核反应的研制具有很大的政治意义、经济意义

3、和军事意义。　　2．受控热核反应的简单原理　　受控热核反应是利用元素周期表中最轻的元素氘（或者氚）聚变反应成紧密束缚的较重的氦原子核，从而释放出巨大　　　　图8-5质量亏损示意9　　的能量。这能量是由于聚变反应前后发生了质量亏损，即氘和氚聚合成氦（He4）加中子，会出现后者比前者质量减少的现象。根据爱因斯坦公式E＝mc2，亏损掉的质量就会以和它相当的能量形式释放出来。但由于参与聚变的原子核带有正电荷，它们之间有很强的静电排斥力，只有当我们使它们之间用极高的速度相互碰撞，才会发生数量可观的聚变反应。这速度据计算，差不多需要每秒几百

4、公里至一千公里。用人为的办法实现这个反应目前已经在氢弹爆炸中做到了，但它是非可控的，其释放的能量难于利用。在太阳等恒星内部，由于温度很高，在它上面的轻元素已经有足够的动能去克服它们之间的静电排斥，而且由于这些星球强大的万有引力使它们约束在一起持续地进行着热核反应，我们人类无时不刻都得到的太阳光和热，就是太阳上进行着热核反应的结果。所以受控热核反应就是用人工的办法有控制地使氘核加热到很高的温度，让它的无规则热运动彼此连续碰撞，从而产生大量的聚变反应，释放出能量。当一个氘核（一个质子和一个中子）和一个氚核（一个质子和两个中子）聚变成

5、一个氦核时，氦核和一个中子的质量总和小于一个氘核和一个氚核的质量总和，它们的质量差额就称为质量亏损。亏损的那部分质量就转化为氦核和中子的动能（约为17.6MeV）。虽然，在热核反应中，亏损的质量极小（聚合成He4的质量亏损只有0.030377质量单位），但释放出来的原子核能是相当可观的。由氘和氚聚变成1克氦核，释放出来的能量相当于燃烧10吨煤。因此，热核反应确实是一种很有前途的能源。　　　图8-6受控热核反应的几个基本问题　　3．受控热核反应的几个基本问题9　　从上面的叙述，我们知道受控热核聚变首先就是让氘核有很高的温度，一般要

6、几千万度，甚至一亿度，使氘核克服静电排斥，彼此靠近，发生聚变。但由于高温，这时原来是中性的氘原子气体已经电离成带正电的氘原子核（正离子）和带负电的电子，正负电荷密度相等，所以称之为等离子体。这样的高温等离子体对容器的器壁必然产生很大的压强，这又带来另一个问题，即要设法让这高温高压的等离子体悬在容器的当中，而不能让它和器壁有任何接触，否则非但高温等离子体会冷下来，使反应不能进行，而且容器本身接触高温也会融化甚至烧毁。解决这个难题通常用磁场对等离子体进行约束，而对一定强度的磁场要有一个适当的等离子体密度。聚变反应产生的能量与等离子密

7、度的平方成正比，磁场不仅约束等离子体，不让它与容器接触，而且还可以对等离子体进行压缩，提高它的密度。这些处于千万度高温下的等离子体并不尽如人意，安份守己接受磁场约束作用，它会因种种原因产生各种各样的不稳定性，也就是说它只能被约束一个很短很短的时间。为了使足够数量的等离子体发生聚变反应，以使使由于反应所释放的能量足够抵偿维持这个反应对整个系统所消耗的能量，让聚变反应得以自持下去，因而对参与反应时等离子密度N和实现对它可靠约束时间τ之间有一个要求。除了要求满足高温、适当的密度以及起码的约束时间外，由于聚变反应过程中的轫致辐射，它使能

8、量损失很严重，因而还要求等离子体要有很高的纯度，尽量避免高原子序数的杂质混入。下面再分别谈谈为了满足这些要求，曾经考虑过的一些想法。　　　　图8-7带电粒子在磁场中做螺旋运动示意　　我们知道当氘核达到聚变反应时，它的热运动速度已经有每秒一千公里的速度，如果不加约