核聚变 反应 堆工作原理

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1、核聚变反应堆工作原理与其他能源相比，核聚变反应堆有几项显著的优点，因而一直备受媒体的关注。它们的燃料来源十分充足，辐射泄漏也处于正常范围之内，与目前的核裂变反应堆相比，其放射性废物更少。然而迄今为止，还没有人将这一技术应用到实践中，但建造这种反应堆实际上已为期不远。目前，核聚变反应堆正处于试验阶段，世界各个国家及地区的多个实验室都开展了这项研究。ITER组织供图建立ITER核聚变反应堆工厂的建议地点--法国卡达拉什美国、俄罗斯、欧洲和日本经过协商，建议在法国卡达拉什建立一座名为国际热核试验堆(I

2、TER)的核聚变反应堆，旨在研究通过持续核聚变反应来发电的可行性。在本文中，我们将介绍关于核聚变的知识，并了解ITER反应堆的工作方式。目前的核反应堆利用核裂变来产生能量。在核裂变中，能量是通过一个原子分裂为两个原子来释放的。在传统的核反应堆中，铀的重原子在高能中子的轰击下发生裂变，这会生成巨大的能量，同时产生长期的辐射和放射性废物(详见核电站工作原理)。核聚变的能量是通过两个原子合并为一个原子而产生的。在核聚变反应堆中，氢原子发生聚变，进而形成氦原子、中子，并释放巨大的能量。氢弹和太阳的能量就

3、是靠这种反应提供的。与核裂变相比，核聚变所产生的能量更加清洁、安全、高效，其能量来源也更为丰富。核聚变反应分为多种类型。其中大多数都涉及氢的同位素氘和氚:同位素同位素是指质子数和电子数相同，但中子数不同的同一类元素的原子。下面是核聚变中一些常见的同位素:氕是带一个质子而没有中子的氢同位素。它是氢的最常见的一种形式，也是宇宙中最普遍的元素。氘是带一个质子和一个中子的氢同位素。它不具有放射性，可从海水中提取。氚是带一个质子和两个中子的氢同位素。氚具有放射性，半衰期约为10年。氚不会自然形成，但用中子

4、轰击锂可产生氚。氦3是带有两个质子和一个中子的氢同位素。氦4是氦在自然界中最为普遍的一种形式，它带有两个质子和两个中子。质子-质子链--这一序列是太阳等恒星中最主要的核聚变反应模式。两对中子形成两个氘原子。每个氘原子与一个质子结合，生成一个氦3原子。两个氦3原子结合，生成不稳定的铍6。铍6衰变为两个氦4原子。这些反应会生成高能粒子(质子、电子、中子、正电子)，并放出辐射(光线、伽马射线)。氘-氘反应--两个氘原子结合，生成一个氦3原子和一个中子。氘-氚反应--一个氘原子和一个氚原子结合，生成一个

5、氦4原子和一个中子。其中大部分能量以高能中子的形式释放。从概念上讲，利用反应堆中的核聚变十分容易。但为了让这一反应以可控、无害的方式进行，科学家们历经周折。为了了解其中的缘由，我们需要先看一下发生核聚变的必要条件。当氢原子聚合时，它们的原子核必须结合在一起。然而，由于每个原子核中的质子都带有相同的电荷(正电)，因而会互相排斥。如果您曾试着将两块磁铁放在一起并感到它们互相推开，则意味着您已亲身体验了这一原理。若要实现核聚变，需要创造一些特殊的条件来克服这种排斥力。下面是发生核聚变的一些必要条件:高

6、温--高温可为氢原子提供足够的能量，以克服质子之间的电荷排斥。核聚变需要的温度约为1亿开(约是太阳核心温度的六倍)。在这样的高温下，氢的状态为等离子体，而不是气体。等离子体是物质的一种高能状态，其中所有电子都从原子中剥离出来，并可以自由移动。太阳的高温是由重力压缩核心的巨大质量而产生的。我们要制造出这样的高温，就必须利用微波、激光和离子粒子的能量。高压--压力可将氢原子挤在一起。氢原子之间的距离必须在1x10-15米以内，才能进行聚合。太阳利用其质量和重力将核心内的氢原子挤压在一起。我们要将氢原

7、子挤压在一起，必须使用强大的磁场、激光或离子束。借助目前的技术，我们只能实现发生氘-氚聚变所需的温度和压力。氘-氘聚变需要的温度更高，这种温度有可能在将来实现。基本上，利用氘氘聚变会更加方便，因为从海水中提取氘比从锂中提取氚要更加容易。另外，氘不具有放射性，而且氘氘反应可释放更多的能量。有两种方法可实现发生氢聚变所需的温度和压力:磁约束使用磁场和电场来加热并挤压氢等离子体。法国的ITER项目使用的就是这种方法。惯性约束使用激光束或离子束来挤压并加热氢等离子体。在美国劳伦斯利弗莫尔实验室的国家点火

8、设施中，科学家们正在对这种试验方法展开研究。我们首先探讨磁约束。其工作原理如下:加速器释放出微波、带电粒子束和中性粒子束，用于加热氢气的气流。在高温下，氢气从气态变为等离子体。这种等离子体受到超导磁体的挤压，进而发生聚变。在用磁场约束等离子体时，最有效的磁体形状是面包圈形(即环形)。等离子体环形室采用这种形状的反应堆称为Tokamak。ITERTokamak是一个独立式反应堆，其部件都装在不同的盒子中。进行维护时，工作人员可以方便地插入和拔出这些盒子，而不必拆开整个反应堆。该Tokamak的等离