未来的能源核聚变能.DOCVIP

未来的能源──核聚变能 目前，人们广泛应用的能源是煤、石油和天然气。但是地球上这些化石燃料的储量有限，随着人类能源消耗的不断增加，总有一天要面临枯竭。尽管新发展的裂变核能已成为较成熟的替代能源，但是核电站所用的燃料铀和钍等储量也有限。那么几十年或几百年后，人类将依赖何种能源呢？ 目前看来，最有希望的能源将是受控聚变核反应提供的核聚变能。 “聚变”是较轻的原子核聚合成较重的原子核的反应。它所释放的能量要比等量的裂变原料发生裂变释放的能量大很多倍。不仅如此，聚变核反应的原料也十分丰富。能够产生聚变的元素主要是氢的同位素氖和氘，人们称之为重氢。0.03克重氢在聚变反应中释放出的能量，相当于燃烧300公升汽油。重氢在海水中的含量是每吨17.1克。地球上海水中的重氢即使能从中提取出千分之一，也可供人类使用几十亿年！ 既然核聚变能可以说是取之不尽、用之不竭的能源，那么我们现在为什么不大规模地开发利用呢？原来要使轻核聚变，存在着一系列技术上的难题。首先必须达到几千万度以上的高温，才能使轻核之间接近到可以发生聚变的距离。因此人们常把聚变反应称为“热核反应”。要获得这样的高温实在不容易。热核聚变在氢弹里已经实现，它是用原子弹爆炸来达到这个高温而引爆的。但是氢弹里的热核聚变反应不能控制，一发而不可收，其爆炸威力比原子弹大得多，根本不能有节制地和平利用。 其次，高温下的重氢的原子核和核外电子已经分离，成为等离子体。在这种状态下，核运动极其迅速激烈。要想把这样高温高能的等离子体约束在一定的区域里，并让它按人的意志有节制地释放能量，当今世界上还真找不到一种实实在在的容器能装得住这个“魔鬼”。还是科学家们神通广大，他们利用磁场制成了“魔瓶”，把等离子体约束在一起，这种方法叫磁约束法。苏联一种叫“托卡马克”的核聚变装置，就是用这种“魔瓶”来研究受控热核反应的。我国科学家研制的“中国环流器一号”受控核聚变装置也已正式运转。 目前，微型受控核聚变的研究已有较大进展，科学家们正在不断努力探索。 附聚变研究历史与进展 1919年英国物理学家阿斯顿(F.W.Aston)发现轻核聚变反应，并和卢瑟福(L.Rutherford)一起证实了轻元素以足够大的能量碰撞引起核反应的现象。10年后，阿特金森(R.Atkinson)和奥特曼斯(F.Houtemans)提出了太阳内氢原子在几千万度高温下聚变成氦的假设。第二次世界大战期间著名物理学家费米(E. Fermi)和爱德华·泰勒(E. Teller)提出了氢弹原理和核聚变反应堆的设想。早在氢弹爆炸前5年，英国帝国大学的汤姆逊(G. P. Thomson)就提出，利用箍缩效应使等离子体离开器壁，并加热到热核反应所需温度来控制热核反应的设想。同期前苏联也开展了类似的研究。为了解决环形等离子体的平衡问题，塔姆(I. E. Tamm)和萨哈洛夫(A. D. SaSharov)提出，在环形等离子体中通以大电流，所产生的极向磁场和环向磁场一起形成的磁场位形，可以约束等离子体。 氢弹的爆炸无可辩驳地证明了氢同位素聚变热核反应。英、美和前苏联从核武器发展考虑，一直在互相必威体育官网网址的情况下，开展受控热核聚变研究。在研究初期，科学家们认为受控热核聚变的成功，会像氢弹一样，指日而待。但经过近20年的努力，到1958年受控热核聚变还未能实现。其中最使科学家们困惑的，莫过于环形装置实验达到的约束时间，远小于理论预计的约束时间。鉴于研究工作停滞不前的困境，英、美和前苏联的科学家意识到，必威体育官网网址不利于研究工作发展，很快建成聚变堆的预期不切实际。于是三国科学家开始了互访交流，并在1958年秋在瑞士日内瓦举行的第二届和平利用原子能国际会议上，三国展出了各种核聚变实验装置，而且达成协议，互相公开研究计划。这次会议以后，受控热核聚变研究的重点逐步转移到高温等离子体等基础问题上。 在等离子体约束装置研究方面，角向箍缩曾有一段鼎盛时期，其离子温度达到几百到几千电子伏，遥遥领先于其他装置，但约束时间太短。此后为消除终端损耗，环形箍缩装置受到重视。在理论方面，等离子体偏离麦克斯韦分布所引起的微观不稳定性开始为科学家们所重视。朗道阻尼在实验上得到证实也是这一时期的一个重要研究成果。 1968年在原苏联新西伯利亚召开的第三届会议上，各国科学家报告了各类装置上的实验进展和有关激光约束等离子体的研究进展。令科学家们感到鼓舞的，莫过于阿齐莫维奇公布的托卡马克T-3上取得的必威体育精装版实验结果。在T-3上，电子温度达到1keV（千电子伏），离子温度达到0.5keV，等离子体约束时间达到了玻姆扩散时间的50倍，nτT值达1018 m-3 s?。会上有些科学家对此结果持怀疑态度。 1969年卡拉姆实验室主任皮斯(R. S. Pease)征得阿齐莫维奇同意，派了一个专家组，用激光散射仪核实了T-3的电子温度