核聚變高溫等離子體應(yīng).ppt

第四章:核聚變 高溫等離子體應(yīng)用,核能 氫彈-無(wú)控核聚變 受控核反應(yīng)堆 核聚變優(yōu)點(diǎn),原理 等離子體中的電流 磁控的概念 不穩(wěn)定性 慣性約束的概念 可能性 及世界合作,核能是20世紀(jì)人類的一項(xiàng)偉大發(fā)現(xiàn). 1938年德國(guó)科學(xué)家用中子轟擊鈾原子核,首先發(fā)現(xiàn)核裂變現(xiàn)象. 核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng): 當(dāng)中子撞擊鈾原子核,一個(gè)鈾原子核吸收一個(gè)中子 而分裂成兩個(gè)較輕的原子核,同時(shí)發(fā)生質(zhì)能轉(zhuǎn)換,放出能量.并產(chǎn)生 2-3個(gè)中子. 核聚變:從太陽(yáng)能源 獲得啟發(fā).用氫的同位素:氘和氚的聚合反應(yīng) 生成氦核并放出一個(gè)高能中子. 質(zhì)能轉(zhuǎn)換放出更大能量. 1919年首先證實(shí)了輕元素以足夠大能量碰撞引起核反應(yīng)現(xiàn)象. 核能(原子能) :是在原子核發(fā)生變化的過(guò)程中釋放出來(lái)的能量. 太陽(yáng)能:就是原子核發(fā)生變化,在高溫,高密度氣體完全電離的等離子體條件下, 輕 原子核聚合成較重原子核而釋放的能量,即 氫原子=氦原子.稱為核聚變. 愛(ài)因斯坦的質(zhì)能守恒公式(非相對(duì)論) E = MC 從理論上解決了質(zhì)量和能量轉(zhuǎn) 換關(guān)系.,原子及原子核:高中物理的內(nèi)容. 原子由原子核及圍繞其運(yùn)動(dòng)的電子組成.原子核帶正電,電子帶負(fù)電荷. 電子按一定軌道圍繞原子核運(yùn)動(dòng). 正點(diǎn)荷與負(fù)電荷相等,原子不帶電. 原子核通常由質(zhì)子和中子組成.化學(xué)元素表按質(zhì)子數(shù)排序. 質(zhì)子帶正電,中子不帶電,質(zhì)量相同.一個(gè)質(zhì)子就是一個(gè)氫原子核. 如鋁的原子核內(nèi),包括13個(gè)質(zhì)子,14個(gè)中子,它的質(zhì)量數(shù)是27.電子數(shù)13. 電子按一定層次排列.,原子核的結(jié)合能:,原子核的半徑很小,質(zhì)子帶正電荷.同類電荷粒子的庫(kù)侖斥力很大. 但通常原子核是穩(wěn)定的.什么原因使核子結(jié)合在一起成為原子核? 答案:除了庫(kù)侖斥力外, 還有另一種更強(qiáng)的力把各核子緊拉在一起.稱之為 核力。正在研究中。 核力只在很小距離內(nèi)起作用,超過(guò)距離很快減小到0 . 質(zhì)子和中子的半 徑約 0.8 米，每個(gè)核子只跟它相鄰的核子間才有核力的作用。 結(jié)合能：要把原子核拆散成核子，需要克服核力做功。即需要巨大能量。而相反的過(guò)程再結(jié)合過(guò)程，則放出巨大能量。 定義： 核子結(jié)合成原子核時(shí)要放出一定的能量，原子核分解成核子 （質(zhì)子或中子）時(shí)克服核力要吸收同樣多的能量，這個(gè)能量叫 做原子的結(jié)合能。 核子在結(jié)合成原子核時(shí),由于有核力的作用,必須釋放一定能量原子 核的質(zhì)量跟組成它的核子的質(zhì)量比要小一些.,原子核結(jié)合能與組成該原子核的核子數(shù)之比 稱為原子核核子的平均結(jié)合能 -即一般說(shuō)的核能(原子能). 核子=質(zhì)子和中子的統(tǒng)稱. 核子在結(jié)合成原子核時(shí) 由于有強(qiáng)大的核力作用,必須釋放一定能量,所以原子核 質(zhì)量要小一些. 規(guī)律:原子核核子的平均結(jié)合能隨原子質(zhì)量數(shù)而變. 質(zhì)量數(shù)較小的輕核(如氫)及質(zhì)量數(shù)較大重核(如鈾)其核子平均結(jié)合能均較小. .質(zhì)量數(shù)中等的核子平均結(jié)合能大, 即結(jié)合成較中等質(zhì)量數(shù)的原子核時(shí)放出較大能量. 裂變-將重核裂變?yōu)橘|(zhì)量數(shù)中等的原子核. 聚變-將輕核聚變成質(zhì)量數(shù)較中等的原子核, 都釋放核能. 輕核的核子平均結(jié)合能更小些(曲線下降快). 當(dāng)由輕核聚變成較重原子核時(shí), 釋放能量更大.,不可控核聚變: 氫彈 20世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)原子核中蘊(yùn)藏巨大能量.第一代,不可控核聚變: 氫彈 20世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)原子核中蘊(yùn)藏巨大能量.第一代核武器原子彈(核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)),不可控核聚變: 氫彈 20世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)原子核中蘊(yùn)藏巨大能量.第一代核武器原子彈(核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)) Pu239,U 235,在熱中子轟擊 下分裂,并放出中子. 氫彈:第二代核武器,核聚變,熱核反應(yīng),數(shù)千萬(wàn)度 高溫和超高壓下實(shí)現(xiàn).用小型原子彈引爆. 氘,氚,氘化鋰為核裝藥.單位質(zhì)量釋放的能 量一般為裂變反應(yīng)4倍以上. 中子打在鋰上會(huì)產(chǎn)生氚,和氘反應(yīng)產(chǎn)生氚 和中子. 氫彈制成說(shuō)明可以人工產(chǎn)生核聚變.但不 可 控.爆炸釋放能量.危害人類,國(guó)際上 現(xiàn)不再做試驗(yàn). 為何叫氫彈? 原子核愈輕,所帶電荷愈少,產(chǎn)生聚變反應(yīng)所需能量愈低,故采用氫的同位素.,普通炸藥引爆,裝藥為兩塊,均小于 臨界質(zhì)量.引爆時(shí),被推擠到一起.大 于臨界質(zhì)量.產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。百分之幾秒.,中子彈: 小型氫彈.氘氚混合物.外殼用鈹和鈹合 金 ,高能中子可逸出.大量高能中子輻射. 穿透作用強(qiáng),可穿透坦克,磚墻. 利用核聚變, 產(chǎn)生大量高能中子.放射性污染較低,可制成炮彈或?qū)楊^. 凡是核武器都有核輻射,沖擊波,光輻射,放射性污染和電磁脈沖等殺傷力.各自比例不同: 原子彈 : 沖擊波+ 光輻射 85% 1945年8月5號(hào),美國(guó)投到日本兩個(gè)小城市廣島,長(zhǎng)崎的原子彈, 當(dāng)量很小, 23萬(wàn)噸黃色炸藥.在上空500米的高度爆炸. 閃 光照亮整個(gè)日本島.原子彈的蘑菇云幾萬(wàn)英尺高. 氫彈 : 沖擊波+ 光輻射 65% 1957年第一顆氫彈(美) ,1961年10月世界上最大一次核爆炸 (蘇聯(lián)).核污染范圍達(dá)4000公里,蘇軍整個(gè)通訊失去聯(lián)系一個(gè)多 小時(shí).產(chǎn)生的電磁擾動(dòng)3次傳遍全球.不再進(jìn)行核爆炸試驗(yàn). 氫彈的使用帶來(lái)的將是世界末日. 中子彈:核輻射+ 電磁脈沖 70% 1 千噸梯恩梯當(dāng)量的中子彈, 在距地面90米的低空爆炸,其沖 擊波,光輻射和放射性污染在周?chē)?80米以內(nèi). 而快中子流及 中子流貫穿輻射,與周?chē)橘|(zhì)的原子作用產(chǎn)生的電磁脈沖的殺 傷半徑達(dá)800 米.,核反應(yīng)堆 作為能源的必要性: 核能的和平利用 1kg 煤 =3 千瓦小時(shí)電. 油 = 4 千瓦小時(shí) 1kg 鈾 = 7乘10 6 千瓦小時(shí). 無(wú)燃燒,故無(wú)大氣 污染及大氣溫室效應(yīng). 是人類持續(xù)發(fā)展的必要. 裂變堆: 種類繁多.目前進(jìn)展-重水堆,快中子堆. 重水堆；可使用普通鈾,用重水作為慢化劑,減慢 中子速度,不吸收中子.鈾238 可轉(zhuǎn)化成 钚239.重水：D2O. 氘化水。 核燃料利用率高。 目前,90% 能源來(lái)自石化燃料,導(dǎo)致嚴(yán)重污染.如溫室效應(yīng);劇烈天氣變化,酸雨;水污染;臭氧層空洞;且消耗寶貴,十分有限資源.,核聚變反應(yīng)放出能量遠(yuǎn)非這些石化燃料能比擬, 高100萬(wàn)倍以上. 核裂變反應(yīng)堆: 中國(guó)已建(例)；秦山核電站三期 與加拿大合作,重水堆.已并網(wǎng)發(fā) 電;江蘇連云港田灣,雙層殼,已商業(yè)運(yùn)行;深圳大亞灣,引進(jìn)外資,壓 力堆,94年商業(yè)運(yùn)行,70%供給香港. 1971年我國(guó)第一艘核潛艇建成下水. 中法合資臺(tái)山核電站 壓水堆. 2007年簽約. 到2002年底,全世界有441臺(tái)核電機(jī)組在運(yùn)行,生產(chǎn)電力占世界 總發(fā)電量17%.,裂變堆: ( 非等離子體 ) 1. 原料. 自然界中能直接用于核燃料的只有U 235 ,鈾礦中 0.7% 釷232 有放射性,在地殼中含量約6%,印度較多,易提煉，在受到中子 沖擊后 =U 233, 可作為核燃料。開(kāi)發(fā)階段. 2.裂變條件.中子轟擊. 裂變時(shí)放出中子=鏈?zhǔn)椒磻?yīng). 3.可控方法:中子減速.慢化劑.調(diào)節(jié)中子速度,數(shù)量. 4.問(wèn)題: 輻射污染,原料有限.一般的反應(yīng)堆,99%燃料剩下. ( 鈾238 為主).,快中子增殖反應(yīng)堆: 鈾235 + 慢中子=裂變+ 快中子 鈾238 + 快中子= 钚239 钚239 + 快中子= 裂變 在開(kāi)發(fā)試驗(yàn)中.最早美國(guó). 可幾乎100%利用鈾資源. 總效率可達(dá)60-70% 中國(guó)與俄羅斯合作.計(jì)劃2010年并網(wǎng)發(fā)電. 2010年5月,日本重啟14年前因核泄漏事故停運(yùn)行的快 中子增殖反應(yīng)堆. 并宣布將與法國(guó),美國(guó)合作開(kāi)發(fā)快中子 增殖反應(yīng)堆.,核聚變,核聚變堆: (等離子體)-氘氚聚變反應(yīng) 能量巨大,來(lái)源豐富; 干凈無(wú)污染; 安全可靠; 廉價(jià)經(jīng)濟(jì). 遠(yuǎn)期計(jì)劃. 進(jìn)展: 歐洲環(huán)形核聚變實(shí)驗(yàn),磁控反應(yīng)堆.持續(xù)時(shí)間 2 分鐘,核心溫度3億度,比太陽(yáng)內(nèi)部溫度高20 倍. 2009年激光輸出功率已達(dá)到足以點(diǎn)燃核聚變 (慣性約束聚變) 1991年11月歐洲1.8秒鐘核反應(yīng),激光功率達(dá)100萬(wàn)億瓦.,核聚變反應(yīng)堆 :,原料: 氘在海水中藏量豐富,40萬(wàn)億噸.氚靠中子同鋰作用產(chǎn)生.鋰藏量豐富(陸地海水). 安全:一旦某環(huán)節(jié)出問(wèn)題,溫度下降,自動(dòng)中止. 產(chǎn)物:氦,無(wú)害.不產(chǎn)生裂變電站長(zhǎng)壽命高放射性廢物. 聚變反應(yīng)產(chǎn)生的高能中子有 廣泛用途,產(chǎn)生氚及裂變用燃料;處理長(zhǎng)壽命高放廢物. 聚變?cè)? 第一步:使燃料處于等離子體狀態(tài),充分電離,溫度足夠高,電子 逸出,原子核才可能克服斥力聚合在一起.如果同時(shí)有足夠密度,及足夠長(zhǎng)的熱能 約束時(shí)間,聚變反應(yīng)就可穩(wěn)定,持續(xù)運(yùn)行. 目前兩種研究方案: 磁約束; 慣性約束. 1.磁約束:利用強(qiáng)磁場(chǎng)可以約束帶電粒子的特性. 2.慣性約束: 依靠物質(zhì)的慣性將等離子體約束住,使核心處溫度,壓力驟升 產(chǎn)生聚變.在不穩(wěn)定的等離子體中實(shí)現(xiàn)核聚變. 氫彈也屬于慣性約束聚變.但不可控.用原子彈所產(chǎn)生的高溫高壓 使氫彈中的聚變?nèi)剂蠑D壓在一起,在飛散之前產(chǎn)生大量聚變.,同位素: 指質(zhì)子數(shù),電子數(shù)均相同,但中子數(shù)不同的同一類原子. 氘無(wú)放射性,氫的同位素. 其原子核: 1個(gè)質(zhì)子+1個(gè)中子 氚-有放射性(半衰期 10年).但自然界無(wú).用中子轟擊鋰產(chǎn)生. 1個(gè)質(zhì)子+2個(gè)中子 氘原子+ 氚原子 =氦4 原子(2個(gè)質(zhì)子+2個(gè)中子) +1個(gè)中子(高能). D + T 4He + n 為何用氘+氚,不是兩個(gè)氘原子聚合? 回答: 因?yàn)殡c氚的聚合反應(yīng) 最容易實(shí)現(xiàn). 實(shí)現(xiàn)核聚變條件: 高溫: 要使所有電子都從原子中跑出.完全等離子體態(tài).上億度. 高壓:將原子擠在一起,原子之間距離在10 米內(nèi). 反應(yīng)速率是溫度函數(shù),在溫度達(dá)數(shù)億度時(shí)有最大值.,勞森判據(jù): 自行維持反應(yīng)系統(tǒng)的條件. 所供能量使燃料達(dá)到點(diǎn)火溫度,且具有實(shí)用性,必須使熱核反應(yīng)放出的能量 至少要和加熱燃料的能量相當(dāng). 為達(dá)到這一目的,須保證核燃料有足夠的 密度,同時(shí),由于等離子體不易穩(wěn)定,須設(shè)法延長(zhǎng)等離子體存在時(shí)間. 也就是說(shuō), 密度n 增加,碰撞機(jī)會(huì)多,反應(yīng)更充分,而穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng),反應(yīng)才可能充分. n(離子數(shù)密度) (穩(wěn)定時(shí)間) 常數(shù). 溫度8 K, 上億度 稱為勞森判據(jù). 對(duì)氘-氘反應(yīng), 如用 n 表示每立方厘米的離子密度，時(shí)間 以秒為單位，此常數(shù) 為 510. 對(duì)氘-氚反應(yīng)而言,此常數(shù)為 210 . 即: 如果n 為 ,則 穩(wěn)定時(shí)間至少需要秒鐘.,磁約束核聚變堆原理圖:,磁場(chǎng)對(duì)等離子體作用:一些基本概念 1.帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 勻穩(wěn)磁場(chǎng); 非均勻磁場(chǎng); 2.帶電粒子流所產(chǎn)生磁場(chǎng) 3. 等離子體的不穩(wěn)定性 環(huán)形托卡馬克聚變堆進(jìn)展; 歐,美磁約束核聚變裝置使用氘氚 混合燃料獲得過(guò)上億度的等離子體 且獲得上萬(wàn)千瓦輸出. 我國(guó)目前擁有兩臺(tái)實(shí)驗(yàn)裝置;合肥, 全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克,已兩次 成功放電. 成都,中國(guó)環(huán)流器2號(hào), 2006年獲得等離子體電子溫度 5500萬(wàn)度.,均勻磁場(chǎng)中: 帶電粒子繞磁力線作螺旋運(yùn)動(dòng). 沿B方向V不變, dV平行/dt =0.(或等于常數(shù)）。洛侖茲力與V 垂直 垂直,不做功. 回旋半徑 圓周半徑. 運(yùn)動(dòng)方程：mV/r = qV Bo 沿垂直方向 粒子動(dòng)能= mv= 常數(shù) r = mv/qBo 半徑隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變小。 非均勻磁場(chǎng): 磁場(chǎng)強(qiáng)處回旋半徑小,弱處回旋 半徑大=有回折的震蕩曲線.每 一次粒子在弱磁場(chǎng)經(jīng)歷的時(shí)間,路程 長(zhǎng).=被推向磁場(chǎng)較弱處.另外產(chǎn)生 橫向漂移從而影響等離子體穩(wěn)定性.,帶電粒子流產(chǎn)生的磁場(chǎng): 帶電粒子運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng).見(jiàn)圖: q 為一帶正電粒子沿Z向運(yùn)動(dòng),產(chǎn) 生的磁場(chǎng)沿圓柱坐標(biāo)切向. 如果 另一同號(hào)電荷粒子也沿Z向運(yùn)動(dòng). 它將受到指向Z 軸的洛侖茲力,而 原粒子也將受到此粒子的磁場(chǎng)作 用力. 兩個(gè)帶電粒子的磁相互作 用使它們一起被壓縮. 等離子體中有電流流過(guò)時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng): 圖中一個(gè)通有縱向電流的等離子 體圓柱,內(nèi)外均有磁場(chǎng).圓柱體內(nèi) 運(yùn)動(dòng)的正負(fù)電荷粒子與磁場(chǎng)作用 使粒子都向中心靠,起了磁壓縮的 作用.如果此壓縮力足以克服等離 子體熱運(yùn)動(dòng)的壓力,柱將變細(xì).稱為 等離子體自磁壓縮.(pinch),磁約束:,磁鏡效應(yīng)：,首先，看一個(gè)帶電粒子以任意角度進(jìn)入磁場(chǎng)： a)磁場(chǎng)中粒子的軌道 b) 磁鏡場(chǎng)中粒子的漂移 角為粒子入射角.,在兩端放置兩個(gè)環(huán)形線圈可形成這樣 的磁場(chǎng): 中間磁場(chǎng)弱,兩端強(qiáng). 我們分析帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng). 觀察三點(diǎn)位置: P P P下帶電 粒子所受到的力。(洛倫茲力),假設(shè)一帶正電的粒子以垂直于紙面向里的速度v進(jìn)入，在P1點(diǎn)處，由于B 的 軸向分量，使帶電粒子作圓周運(yùn)動(dòng)。此處的磁場(chǎng)B還有一個(gè)不大的徑向分量， 它使帶電粒子受到一指向右邊的力，從而使帶電粒子邊回旋邊向右面移動(dòng)， 進(jìn)入較弱磁場(chǎng)區(qū)。P2 點(diǎn)位置，由于這里磁場(chǎng)較弱，回旋半徑增大，磁場(chǎng)B 沒(méi)有徑向分量，粒子不再獲得向右加速 ，但由于粒子具有向右的速度，它能 繼續(xù)向右運(yùn)動(dòng)，從而進(jìn)入右邊較強(qiáng)的磁場(chǎng)區(qū)。在右端磁場(chǎng)區(qū)，帶電粒子受到 軸向和徑向磁場(chǎng)作用，但徑向分量與前相反，所以粒子受到的軸向磁場(chǎng)力方 向向左。 所以，粒子總是受到指向磁場(chǎng) 減弱方向的軸向力， 稱為 磁鏡效應(yīng)。 使帶電粒子在磁 鏡之間來(lái)回震蕩。,磁鏡約束: 例： 地球磁場(chǎng)是一個(gè)天然的磁約束捕獲器，它使來(lái)的宇宙射線和太陽(yáng)風(fēng) 中的帶電粒子在南北極之間震蕩。形成范阿侖 輻射帶。兩端磁力線強(qiáng), 中間弱，形成磁瓶，約束粒子。 為防粒子從一定角度逃逸，磁約束聚變堆設(shè)計(jì)成環(huán)形。,不穩(wěn)定性: 等離子體受到自身電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下引起收縮,稱箍縮效應(yīng). 箍縮效應(yīng)產(chǎn)生壓強(qiáng)與粒子熱運(yùn)動(dòng)平衡.不穩(wěn)定因素如: a)扭曲不穩(wěn)定: 小小彎曲=凹側(cè)磁場(chǎng)凸側(cè)磁場(chǎng)=更彎 b) 臘腸不穩(wěn)定: 粗細(xì)略有不均勻 =進(jìn)一步變細(xì). 由于這些不穩(wěn)定因素,人造等離子體常在極短時(shí)間內(nèi)就分崩離析.,磁約束是利用強(qiáng)磁場(chǎng)約束帶電粒子. 變壓器原邊合上開(kāi)關(guān)后,通過(guò)電磁感應(yīng),副邊 產(chǎn)生高壓,擊穿而電離從而產(chǎn)生等離子體. 本身電流加熱,且能約束等離子體. 除了本身電流加熱外,還有各種輔助加熱手段. 磁場(chǎng)愈強(qiáng),帶電粒子回旋半徑愈小,所以,強(qiáng)磁場(chǎng)能約束帶電粒子的運(yùn)動(dòng).,極向場(chǎng)線圈 環(huán)形線圈 垂直方向磁場(chǎng) 水平方向磁場(chǎng),結(jié)合成螺旋方向的總磁場(chǎng) 此圖來(lái)源:Princeton Plasma Physics Lab,環(huán)形線圈-環(huán)狀磁瓶 希望帶電粒子無(wú)休止地繞磁力線運(yùn)動(dòng),但達(dá)到穩(wěn)定的約束很難.因?yàn)?磁力線在內(nèi)側(cè)強(qiáng),外側(cè)弱.會(huì)把粒子推向外側(cè)壁從而失去約束. 環(huán)形箍縮裝置 原理:電流通過(guò)等離子體時(shí),產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)等離子體有箍縮效應(yīng). +變壓器原理 見(jiàn)圖. 原線圈通過(guò)一開(kāi)關(guān)與一組高壓電容器相連. 環(huán)形反應(yīng)室作為變壓器的副線圈. 反應(yīng)室里充入等離子體核燃料.合上開(kāi)關(guān),充了電的電容向 原線圈放電,產(chǎn)生強(qiáng)脈沖 電流,同時(shí)反應(yīng)室內(nèi)的等離子體中感應(yīng)出更強(qiáng)大的電流.這個(gè)電流將對(duì)等離子體自身 產(chǎn)生箍縮壓力,從而使等離子體被約束在一個(gè)環(huán)內(nèi). 同時(shí),由于強(qiáng)大的電流通過(guò)等離子體起了加熱的作用,使溫度上升. 等離子體受箍縮變細(xì),但不穩(wěn)定,磁場(chǎng)分布也不均勻. 兩者結(jié)合, 即在環(huán)形箍縮裝置中的環(huán)形反應(yīng)器外面繞上線圈,并通以電流. 它產(chǎn)生軸向磁場(chǎng)B1.等離子體中的感應(yīng)電流則產(chǎn)生圈向的磁場(chǎng)B2. 見(jiàn)圖. 疊加后形成總磁場(chǎng)B. 理論和實(shí)驗(yàn)均證明約束效果好。帶電粒子幾乎可以無(wú)休止地在反應(yīng)室內(nèi)繞磁力線 旋進(jìn)，由于磁力線呈螺旋形，在繞環(huán)形管一周后并不自相閉合， 粒子一會(huì)到 環(huán)管內(nèi)側(cè)，一會(huì)到外側(cè)，不會(huì)由于磁場(chǎng)不均勻而電荷分離。 這種磁約束結(jié)構(gòu)相對(duì)較簡(jiǎn)單，較易制造。, B1,B2,原邊 變壓器 副邊,圖：ITER核融合實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖，以一個(gè)二米的人形來(lái)顯示其大小。(此圖是由Princeton Plasma Physics Laboratory提供。),主要 組件： 真空室 環(huán)形,外面套環(huán)形磁場(chǎng)線圈. 等離子體腔室. 磁場(chǎng)線圈. 變壓器為磁場(chǎng)線圈供電.超導(dǎo)磁體. 冷卻設(shè)備冷卻磁體. 包層模塊, 鋰,吸收熱能和高能中子. 收集器 收集氦產(chǎn)品. 水冷回路,將熱量經(jīng)熱交換器形成蒸汽,蒸汽驅(qū)動(dòng)電渦輪發(fā)電, 形成的水進(jìn)入熱交換器.,慣性約束聚變 -依靠物質(zhì)的慣性約束等離子體. 依靠粒子束(激光束,或電子束,離子束) 加熱氘氚靶丸(約1mm左右) 由于粒子的慣性,在尚未嚴(yán)重飛散之前,完成適度的核聚變. 現(xiàn)代激光技術(shù)能產(chǎn)生聚焦良好的,能量巨大的脈沖光束,多路高強(qiáng)脈沖激光束 對(duì)稱地集射到靶上,靶表面消融為高溫等離子體,高速向外噴射.其反沖力擠壓靶心 靶心溫度,密度急劇升高,而產(chǎn)生聚變. 在十億分之幾秒時(shí)間里,激光被靶丸吸收,周?chē)纬蓭浊f(wàn)C度的高溫等離子體, 大部分外層向外噴射,其反沖力形成聚心沖擊波,使靶心千百倍壓縮并產(chǎn)生上億度 高溫,依靠聚心壓縮的慣性,靶心在尚未分散前發(fā)生聚變. 類似于氫彈引爆, 用原子彈所產(chǎn)生的高溫,高壓使氫彈中的聚變?nèi)剂蠑D壓在一起 在飛散之前發(fā)生聚變.但是要求有節(jié)奏地引爆一個(gè)個(gè)微型”氫彈”,從而得到連續(xù)的能量 供應(yīng).,原理圖 : 慣性約束聚變四個(gè)階段,激光輻照, 形成一個(gè)等離子體燒蝕層 內(nèi)爆壓縮 靶丸表面熱物質(zhì)噴發(fā),反向壓縮. 聚變點(diǎn)火 通過(guò)向心聚爆過(guò)程,達(dá)到高溫,高 密度狀態(tài). 聚變?nèi)紵?熱核燃燒在被壓縮燃料內(nèi)部蔓延 * * 左圖: 柱形黑腔間接驅(qū)動(dòng)靶示意圖 間接驅(qū)動(dòng): 高功率激光束(或離子束)穿過(guò)小孔入靶室 內(nèi)壁吸收后放出X 射線，并迅速充滿腔室 形成強(qiáng)光壓，壓縮靶中心的小球。照射均勻 性要求較低，但需更強(qiáng)激光。,1974年美國(guó)的KMS公司首先使用激光驅(qū)動(dòng)向心聚爆方法,測(cè)到 聚變反應(yīng)產(chǎn)生的中子. 2010年初，美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室使用192 束激光完成首次可控核聚變實(shí)驗(yàn)。研究人員 表示，他們能為實(shí)現(xiàn)自持核聚變反應(yīng)提供點(diǎn)火所需條件。 2010年10月進(jìn)行了亞臨界核爆試驗(yàn)，192束激光，1MJ 此裝置可用于 . 模擬核爆炸，研究核武器性能 . 模擬超新星，黑洞邊界，恒星內(nèi)核環(huán)境。 . 借助它來(lái)制造類似太陽(yáng)內(nèi)部的聚變反應(yīng)。 激光能量在黑體輻射腔內(nèi)轉(zhuǎn)換成X 射線轟擊靶件。在激光束進(jìn)入黑體輻射腔的地方 增加高溫低密度等離子體，是出現(xiàn)等離子體光柵的關(guān)鍵，利用激光與等離子體的相 互作用調(diào)節(jié)激光束的能量分布。等離子體光柵如同小型棱鏡，改變了部分激光能量 的方向。 兩種聚變共同點(diǎn)： 都要求高達(dá)一億度的反應(yīng)溫度。 不同： 慣性核聚變等離子體密度極高 1026 /cm,約束時(shí)間納秒級(jí)，10(-9)S 與氫彈熱核反應(yīng)條件相似。 磁約束： 密度n 低得多， 10 / cm, 約束時(shí)間須長(zhǎng)達(dá)秒的量級(jí)。 未來(lái)可能的驅(qū)動(dòng)源： KrF 激光，離子束，（特別是能從電子束二極管稍加改變 可獲得輕離子束）。,原理: 在適當(dāng)條件下, 利用電子碰撞激發(fā)和能量轉(zhuǎn)移激發(fā)等,氣體分子 有選擇地被激發(fā)到某高能級(jí)上, 從而形成與某低能級(jí)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn), 產(chǎn)生受激發(fā)射躍