核聚變與等離子體物理第一章0

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(jī)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(diǎn) （1）與化石能源相比，對(duì)空氣沒(méi)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(lái)源（1）化石燃料燃燒時(shí)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(ài)因斯坦的質(zhì)能方程： 上述反應(yīng)中一個(gè)碳原子和一個(gè)氧原子化合成一個(gè)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(shí)每個(gè)核子貢獻(xiàn)的能量約0.85MeV在DT反應(yīng)中每個(gè)核子貢獻(xiàn)的能量約3.52MeV235U+nX+Y+2.5n+ +

3、 + +200MeV 42D+THe +n+17.6MeV（3）太陽(yáng)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(wàn)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(yáng)小109倍，質(zhì)量小33萬(wàn)倍，引力不足以束縛等離子體，不能發(fā)生太陽(yáng)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(gè)質(zhì)子參加反應(yīng)，產(chǎn)生一個(gè)粒子，兩個(gè)質(zhì)子，兩個(gè)e+和兩個(gè)，太陽(yáng)中的主要聚變反應(yīng)總反應(yīng)式：+4p+2e226.7MeVu太陽(yáng)中的聚變反應(yīng)，質(zhì)子-質(zhì)子循環(huán)占96%。u平均每個(gè)質(zhì)子貢獻(xiàn)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(guò)程中必須經(jīng)過(guò)+衰變，反應(yīng)截面10-23靶，反應(yīng)幾率小，是一個(gè)弱過(guò)程。質(zhì)子質(zhì)子循環(huán)的周期為3109年。u根據(jù)太陽(yáng)的質(zhì)量可知，每秒鐘由于聚變太陽(yáng)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(yáng)的年齡為46億年計(jì)算，到現(xiàn)在太陽(yáng)質(zhì)量損失了萬(wàn)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(gè)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(yùn)動(dòng)產(chǎn)生磁場(chǎng)； 電荷定向運(yùn)動(dòng)引起電流，產(chǎn)生磁場(chǎng)； 電場(chǎng)和磁場(chǎng)要影響其他帶電粒子的運(yùn)動(dòng)，并伴隨著極強(qiáng)的熱輻射和熱傳導(dǎo)； 等離子體能被磁場(chǎng)約束作回旋運(yùn)動(dòng)等。 （5）分類 高溫等離子體和低溫等離子體 （6）應(yīng)用廣泛準(zhǔn)中性準(zhǔn)中性的空間尺度：空間尺度：Debye長(zhǎng)度長(zhǎng)度 （德拜半徑） 在德拜長(zhǎng)度處，電勢(shì)已經(jīng)下降到原來(lái)的1/e, 德拜長(zhǎng)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(gè)判據(jù)就是：L LD 當(dāng)所討論的尺度大于德拜長(zhǎng)度時(shí)，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(shí)際上，正是長(zhǎng)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(guò)中性粒子的碰撞實(shí)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(guò)庫(kù)侖力起作用，那么很遠(yuǎn)的粒子也能感受到力的存在，這樣單個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)迅速轉(zhuǎn)化為集體運(yùn)動(dòng)，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(dāng)中，也給全面認(rèn)識(shí)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(gè)核

7、非常接近時(shí)才能發(fā)生聚合反應(yīng)。這個(gè)過(guò)程中需要克服它們之間的庫(kù)侖斥力?；蛘哒f(shuō)必須克服它們之間的庫(kù)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(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)時(shí)才能實(shí)現(xiàn)。212max0 124Z Z eEr231kT=0.29MeV22mv 可以計(jì)算出等立體的溫度必須達(dá)到3.364109K，高于太陽(yáng)的中心溫度。質(zhì)子質(zhì)子之間的庫(kù)侖位壘約為0.29MeV，為了克服庫(kù)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(gè)核子在單位時(shí)間內(nèi)與其它核子的碰撞次數(shù)：2(1)v(1)v 1

8、 vvdnnnvn當(dāng)時(shí)，平均自由程，核子兩次碰撞之間移動(dòng)的距離單位時(shí)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(kù)侖位壘，對(duì)于DD反應(yīng)需要能量0.40MeV，對(duì)于DT反應(yīng)需要能量0.37MeV，只有在粒子加速器中才能實(shí)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(shí)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(qiáng)D-T大低易得強(qiáng)D-3He小高難弱幾種聚變反應(yīng)的比較6、燃料來(lái)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(dāng)于300gall汽油，海水中可用能儲(chǔ)量為51010Q。 自然界中沒(méi)有氚，它主要來(lái)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(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)

10、的條件有聚變功率不等于可以實(shí)現(xiàn)用來(lái)作為能源的反應(yīng)堆。1、點(diǎn)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(shí)間、單位體積加熱等離子體的能量：對(duì)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(shí)間是系統(tǒng)通過(guò)能量輸運(yùn)降低到環(huán)境溫度的時(shí)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(bǔ)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(dāng)取T=30keV時(shí)：3PnkT2031.5 10s mn2、得失相當(dāng) 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(dāng)（breakeven）。對(duì)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