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文檔簡介

1、緒論緒論1、能源需求(1Q=1.051021J) 公元1年到公元1850總消耗:7.4Q1850年到1950年由于工業(yè)革命,機器、工廠的出現(xiàn),總消耗:9Q1950年到2000年總消耗:11Q2000年到2050年總消耗:將增到61Q2、聚變能的優(yōu)點 (1)與化石能源相比,對空氣沒有污染 (2)與裂變能源相比,放射性污染輕得多,不可能產(chǎn)生大規(guī)模的不可控能量釋放的超臨界事故。 (3)與自然能源比較,效率高 裂變堆和聚變堆關(guān)閉后放射性的逐年變化3、聚變能的來源(1)化石燃料燃燒時放出化學(xué)反應(yīng)能途經(jīng)1途經(jīng)2 2211 =392.7kJCOCOQQ 2221 =110.3kJ2COCOQQ22331 =

2、282.4kJ2COOCOQQ根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程: 上述反應(yīng)中一個碳原子和一個氧原子化合成一個二氧化碳分子產(chǎn)生的能量為: 22EmcEmc 或22219()6.52 10JcocoEmmmC 化學(xué)反應(yīng)主要是原子核外電子之間的相互作用,能量差值很小。(2)聚變能核能:原子核反應(yīng)中釋放出的能量,包括裂 變能和聚變能原子核的結(jié)合能:表示自由核子組成原子核 所釋放的能量2()pneBZmNmZmM CU23392Pt19573Kr8223He42Li63H21裂變反應(yīng):聚變反應(yīng):裂變時每個核子貢獻的能量約0.85MeV在DT反應(yīng)中每個核子貢獻的能量約3.52MeV235U+nX+Y+2.5n+ +

3、 + +200MeV 42D+THe +n+17.6MeV(3)太陽里的聚變反應(yīng)直徑:1.4 109m,質(zhì)量: 1.4 1030kg中心溫度: 1.5 107k,中心壓力:30萬億千帕表面溫度:6000k 這些條件約束等離子體,發(fā)生聚變反應(yīng),地球直徑比太陽小109倍,質(zhì)量小33萬倍,引力不足以束縛等離子體,不能發(fā)生太陽里的聚變反應(yīng)。碳循環(huán) 12131313+131414151515+1512p+CN NC+e +p+CN+p+NO+ ON+e +p+NC+ppppe+e+42He12C13N13C14N15O15N總反應(yīng)式:+4p+2e226.7MeV其中碳核只起中間反應(yīng)物的作用質(zhì)子質(zhì)子循環(huán)+

4、333 p+pd+e + p+dHe+HeHe+2pppppppppdd3He3Hee+e+6個質(zhì)子參加反應(yīng),產(chǎn)生一個粒子,兩個質(zhì)子,兩個e+和兩個,太陽中的主要聚變反應(yīng)總反應(yīng)式:+4p+2e226.7MeVu太陽中的聚變反應(yīng),質(zhì)子-質(zhì)子循環(huán)占96%。u平均每個質(zhì)子貢獻6.7MeV的能量,比235U裂變釋放的能量大8倍,比化學(xué)能約大一億倍。 u質(zhì)子質(zhì)子循環(huán)的速率非常緩慢,主要是由于在氘核形成的過程中必須經(jīng)過+衰變,反應(yīng)截面10-23靶,反應(yīng)幾率小,是一個弱過程。質(zhì)子質(zhì)子循環(huán)的周期為3109年。u根據(jù)太陽的質(zhì)量可知,每秒鐘由于聚變太陽有4.5106t的質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰?,輻射?.71026J的能量

5、。如果按太陽的年齡為46億年計算,到現(xiàn)在太陽質(zhì)量損失了萬分之三。4、等離子體 (1)由離子、電子以及未電離的中性粒子的集合組成。 (2)整體呈中性的物質(zhì)狀態(tài)。 (3)廣泛存在于宇宙中,占了整個宇宙的99。 (4)物質(zhì)的第四態(tài),即電離了的“氣體”: 帶電粒子的運動產(chǎn)生磁場; 電荷定向運動引起電流,產(chǎn)生磁場; 電場和磁場要影響其他帶電粒子的運動,并伴隨著極強的熱輻射和熱傳導(dǎo); 等離子體能被磁場約束作回旋運動等。 (5)分類 高溫等離子體和低溫等離子體 (6)應(yīng)用廣泛準中性準中性的空間尺度:空間尺度:Debye長度長度 (德拜半徑) 在德拜長度處,電勢已經(jīng)下降到原來的1/e, 德拜長度可以看作靜電作

6、用的屏蔽半徑。 電離氣體成為等離子體的一個判據(jù)就是:L LD 當所討論的尺度大于德拜長度時,可以將等離子體看作是整體電中性的,反之,則是帶有電荷的。 2120neKTeDDxexp0 實際上,正是長程的電磁作用決定了等離子體的“集體效應(yīng)”。在通常的氣體中,信息的傳遞是通過中性粒子的碰撞實現(xiàn)的,因此彼此只是影響到附近的粒子。而在等離子體中,帶電粒子通過庫侖力起作用,那么很遠的粒子也能感受到力的存在,這樣單個粒子的運動迅速轉(zhuǎn)化為集體運動,也就是產(chǎn)生振蕩或者波。集體效應(yīng)集中體現(xiàn)在等離子體中豐富的振蕩和波現(xiàn)象當中,也給全面認識等離子體增加了很大的困難。 5、聚變反應(yīng) 熱核聚變:核力是短程力,只有兩個核

7、非常接近時才能發(fā)生聚合反應(yīng)。這個過程中需要克服它們之間的庫侖斥力。或者說必須克服它們之間的庫侖位壘才能反應(yīng): 這只有在極高的溫度下,原子核以極高的速度無規(guī)則的運動時才能實現(xiàn)。212max0 124Z Z eEr231kT=0.29MeV22mv 可以計算出等立體的溫度必須達到3.364109K,高于太陽的中心溫度。質(zhì)子質(zhì)子之間的庫侖位壘約為0.29MeV,為了克服庫侖位壘,要求等離子體的溫度滿足:在熱平衡狀態(tài)下,質(zhì)子的速度分布遵從麥克斯韋方程:3 22( )()exp()2 kT2kTmmf vnv可持續(xù)的聚變反應(yīng):高溫,高密度;一個核子在單位時間內(nèi)與其它核子的碰撞次數(shù):2(1)v(1)v 1

8、 vvdnnnvn當時,平均自由程,核子兩次碰撞之間移動的距離單位時間內(nèi)總的碰撞次數(shù)為:等離子體中核子速度服從麥克斯韋分布v1lvn21v2Nn21v2Nn可以利用的聚變反應(yīng)主要有以下幾種: 為了克服庫侖位壘,對于DD反應(yīng)需要能量0.40MeV,對于DT反應(yīng)需要能量0.37MeV,只有在粒子加速器中才能實現(xiàn)。234223223234 D+ THe(3.52MeV)+n(14.06MeV) D+ DT(1.01MeV)+p(3.03MeV) D+ DHe(0.82MeV)+n(2.45MeV)D+ HeHe(3.67MeV)+p(14.67MeV)考慮到隧道效應(yīng),可得到截面的Gamow公式 聚變

9、所需要的能量大大降低,雖然這些反應(yīng)可以在加速器中或用其它方法實現(xiàn),但得到的能量是微不足道。2120( )exp()2M Z Z eCEEhE聚變反應(yīng)溫度系數(shù)隨溫度的變化截面與散射截面的比較反應(yīng)截面溫度燃料輻射D-D小高易得強D-T大低易得強D-3He小高難弱幾種聚變反應(yīng)的比較6、燃料來源 重水(D2O)中含有D,海水中氘和氫的比例為1:6000,可以算得,1gall海水所含的能量相當于300gall汽油,海水中可用能儲量為51010Q。 自然界中沒有氚,它主要來源于中子與鋰的反應(yīng):6474Li+nHe+T+4.8MeVLi+nHe+T+n2.47MeV增值包層DT反應(yīng)堆燃料流程7、實現(xiàn)聚變反應(yīng)

10、的條件有聚變功率不等于可以實現(xiàn)用來作為能源的反應(yīng)堆。1、點火條件假設(shè)只有粒子等帶電粒子的能量被等離子體吸收,則單位時間、單位體積加熱等離子體的能量:對于D-T反應(yīng) ,E =3.5MeV;n為離子密度,假設(shè)DT兩種離子各占一半,單位體積內(nèi)等離子體的熱能為:214Pvn E33322ein kTnkTnkT 等離子體能量的約束時間是系統(tǒng)通過能量輸運降低到環(huán)境溫度的時間常數(shù),表征了系統(tǒng)的絕熱性能(隨溫度升高而降低)。 為彌補這一損失,保持等離子體處于聚變溫度,須使粒子的功率大于這一數(shù)值,因而得到聚變反應(yīng)被粒子能量維持的條件:當取T=30keV時:3PnkT2031.5 10s mn2、得失相當 聚變功率與加熱功率之比:Q=1為零功率輸出,又稱為得失相當(breakeven)。對于D-T反應(yīng):214fHvn E VQP2030.4 10s mn3、Lawson判據(jù) 在Lawson模型中,考慮到聚變反應(yīng)產(chǎn)生的所有能量經(jīng)一定轉(zhuǎn)換效率(一般為1/3)返回加熱等離子體,并考慮到軔致輻射

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