《核聚變》（人教版）

第十九章原子核核聚變?nèi)嗣窠逃霭嫔绺叨?/p>

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選修3-5

人民教育出版社高二

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1896年，貝克勒爾發(fā)現(xiàn)天然放射性，這是人們第一次觀察到的核變化。1915年AlbertEinstein由廣義相對論導(dǎo)出質(zhì)能方程1933年，核聚變原理被提出1939年，美國物理學(xué)家貝特通過粒子加速碰撞實(shí)驗(yàn)證實(shí)氘氚原子聚變，在這個(gè)過程中釋放出了17.6兆電子伏的能量。這就是太陽持續(xù)45億年發(fā)光發(fā)熱的原理。

歷史背景人民教育出版社高二

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聚變某些原子核能夠結(jié)合在一起，生成一個(gè)較大的原子核，這種核反應(yīng)叫做聚變。人民教育出版社高二

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氘核的質(zhì)量：mD＝2.014102u氚核的質(zhì)量：mT＝3.016050u氦核的質(zhì)量：mα＝4.002603u中子的質(zhì)量：mn=1.008665u平均每個(gè)核子放出的能量在3MeV以上，比裂變反應(yīng)中平均每個(gè)核子放出的能量大3~4倍。人民教育出版社高二

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氘氚聚變是”第一代”聚變。“第二代”聚變是氘和氦3反應(yīng)?！暗谌本圩兪亲尯?跟氦3反應(yīng)。這個(gè)反應(yīng)堪稱終極聚變。中子數(shù)逐漸減少人民教育出版社高二

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核能重核裂變重核分裂成兩個(gè)或多個(gè)中等質(zhì)量的輩子核放出核能鈾235只在鈾礦石中占0.7%可控。核電站利得重核裂變的原理發(fā)電鈾裂變后的廢物難以處理輕核聚變兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核放出的核能比裂變平均每個(gè)核子放出的能量大約要大3~4倍核廢料處理要比裂變反應(yīng)簡單。主要是泄露的氘

1L海水中就大約含有0.03g氘目前不為人為控制，氫彈人民教育出版社高二

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聚變的條件要使輕核發(fā)生聚變，就要使原子核接近到核力發(fā)生作用的距離10-15m，但原子核帶正電，有很強(qiáng)的庫侖斥力。實(shí)現(xiàn)的方法有:用加速器加速原子核；把原子核加熱到很高的溫度；108～109K不經(jīng)濟(jì)聚變反應(yīng)又叫熱核反應(yīng)人民教育出版社高二

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核聚變的利用——?dú)鋸棌楏w引爆裝置小型原子彈三種炸藥：普通炸藥Ｕ235氘、氚爆炸裂變聚變氘、氚、重氫化鉀等鈾235外殼普通炸藥人民教育出版社高二

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受控?zé)岷朔磻?yīng)——核聚變的利用熱核反應(yīng)的的點(diǎn)火溫度很高；2.如何約束聚變所需的燃料；

問題有：現(xiàn)在的技術(shù)還不能控制熱核反應(yīng)。人們在實(shí)驗(yàn)室里研究核聚變反應(yīng)主要采用磁約束和慣性約束兩種方法人民教育出版社高二

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慣性約束慣性約束核聚變是把幾毫克的氘和氚的混合氣體或固體，裝入直徑約幾毫米的小球內(nèi)。從外面均勻射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸發(fā)，受它的反作用，球面內(nèi)層向內(nèi)擠壓（反作用力是一種慣性力，靠它使氣體約束，所以稱為慣性約束），小球內(nèi)氣體受擠壓而壓力和溫度急劇升高。當(dāng)溫度達(dá)到所需要的點(diǎn)火溫度時(shí)，小球內(nèi)氣體便發(fā)生爆炸，并產(chǎn)生大量熱能。這種爆炸過程時(shí)間很短，只有幾個(gè)皮秒（1皮等于1萬億分之一）。

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磁場約束帶電粒子在磁場中沿螺線運(yùn)動(dòng)，回旋半徑R與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成反比。在很強(qiáng)的磁場中，每個(gè)帶電粒子的活動(dòng)便被束縛在一根磁感線附近的很小范圍內(nèi)，只能沿磁感線做種縱向運(yùn)動(dòng)。在熱核反應(yīng)的高溫下，物質(zhì)處于等離子態(tài)，有帶電粒子組成，而由于上述原因，強(qiáng)磁場可以使帶電粒子的橫向輸運(yùn)過程受限。

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現(xiàn)有的可控核聚變約束手段主要有兩種，一種是慣性約束（激光點(diǎn)火），一種是磁約束（托卡馬克裝置），前者的研究主要在美國的國家點(diǎn)火裝置（NIF），后者主要在國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER），同時(shí)還包括中國的中國聯(lián)合球形托卡馬克裝置（SUNIST）和先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克裝置（EAST）。相比之下，磁約束手段似乎更具可行性，但由于其核心元件托卡馬克裝置技術(shù)上的不成熟，使包括ITER在內(nèi)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目受阻。人民教育出版社高二

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托卡馬克裝置（tokamak）托卡馬克的核心是一個(gè)環(huán)形的真空室，外面纏繞著線圈。在通電的時(shí)候托卡馬克的內(nèi)部會產(chǎn)生巨大的螺旋型磁場，將其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達(dá)到核聚變的目的。人民教育出版社高二

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受控核聚變研究的發(fā)展50’s：建立了最初的小型磁約束裝置60’s：建立了成功的托卡馬克裝置70’s：建立了中型尺寸的托卡馬克80’s：建立了大型的托卡馬克90’s：達(dá)到了聚變功率得失相當(dāng)水平2006：協(xié)議建造國際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆ITER人民教育出版社高二

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ITERInternationalThermonuclearExperimentalReactor目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國際科研合作項(xiàng)目之一ITER計(jì)劃將歷時(shí)35年，其中建造階段10年、運(yùn)行和開發(fā)利用階段20年、去活化階段5年。耗資50億美元主要成員：歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國經(jīng)過三年談判，2006年5月24日，中國加入ITER計(jì)劃ITER計(jì)劃是目前世界上僅次于國際空間站的又一個(gè)國際大科學(xué)工程計(jì)劃。該計(jì)劃將集成當(dāng)今國際上受控磁約束核聚變的主要科學(xué)和技術(shù)成果，首次建造可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模聚變反應(yīng)的聚變實(shí)驗(yàn)堆，將研究解決大量技術(shù)難題，是人類受控核聚變研究走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵一步，因此備受各國政府與科技界的高度重視和支持人民教育出版社高二

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ITER裝置是一個(gè)能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的超導(dǎo)托克馬克。其裝置中心是高溫氘氚等離子體環(huán)，其中存在15兆安的等離子體電流，核聚變反應(yīng)功率達(dá)50萬千瓦作為聚變能實(shí)驗(yàn)堆，ITER要把上億度、由氘氚組成的高溫等離子體約束在體積達(dá)837立方米的"磁籠"中，產(chǎn)生50萬千瓦的聚變功率，持續(xù)時(shí)間達(dá)500秒人民教育出版社高二

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國內(nèi)磁約束聚變發(fā)展?fàn)顩r主要機(jī)構(gòu)：中核集團(tuán)西南物理研究院（SWIP）中科院合肥等離子體物理研究所（ASIPP)中國科技大學(xué)大連理工大學(xué)華中科技大學(xué)清華大學(xué)人民教育出版社高二

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EASTExperimentalAdvancedSuperconductingTokamak人民教育出版社高二

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1997年項(xiàng)目被中央科技領(lǐng)導(dǎo)小組批準(zhǔn)2000年10月國家發(fā)展計(jì)劃委員會批準(zhǔn)項(xiàng)目正式開工建設(shè)2006年工程調(diào)試和實(shí)驗(yàn)運(yùn)行（總共三次）2007年3月01日：項(xiàng)目正式通過國家竣工驗(yàn)收2012年4月19日，我國新一代“人造太陽”實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）中性束注入系統(tǒng)（NBI）完成了氫離子束功率3兆瓦、脈沖寬度500毫秒的高能量離子束引出實(shí)驗(yàn)。本輪實(shí)驗(yàn)獲得的束能量和功率創(chuàng)下國內(nèi)紀(jì)錄，并基本達(dá)到EAST項(xiàng)目設(shè)計(jì)目標(biāo)。人民教育出版社高二

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當(dāng)今世界最先進(jìn)的大型托卡馬克托卡馬克名稱主建國家小半徑/m大半徑/m等離子體中心環(huán)形場/MA運(yùn)行時(shí)間歐洲聯(lián)合環(huán)形裝置歐共體1.32.83.01983托卡馬克聚變試驗(yàn)堆美國0.852.52.5