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到底什么是可控核聚变?

  核聚变和核裂变,顾名思义,都是发生在原子核之间的反应。随着原子核发生了裂变和聚变,大量的能量被释放了出来。看到这里有的小伙伴就会问,原子核那么小,发生一点细微的变化怎么还会释放出大量的能量呢?
  这一切,都要从爱因斯坦的质能方程说起:
  根据质能方程,我们能得到一个结论:哪怕是再小的质量变化,由于光速这一个二次项的存在,也会产生释放出巨大的能量。
  举个例子,铀(U)235和钚(Pu)239这两种重原子核在受到中子的轰击时,通常会分裂变成两个中等质量的新核,同时再放出23个中子和200兆eV的能量,也就是接近0。003焦耳的能量,这个能量看似很小,但是要知道,在一个裂变系统中,第一次裂变时放出的中子还会继续参加第二次、第三次第N次的裂变,而每次裂变都会产生新的中子,随着中子的数量以指数形式增长,产生的能量也随之剧增。当下一代中子有两位数时,1KG的U或Pu中,会有2。51024次方原子核发生裂变,而裂变需要的时间极为短暂,在不到1微秒的时间内,这个反应产生的能量就相当于2万吨TNT的当量,而这,也就是原子弹的原理。
  谈完了裂变,我们再来说说聚变:
  刚才提到发生裂变反应式可以释放出巨大能量,但是裂变所需要的都是类似于U或Pu的重金属元素,而这类元素在地球上含量极为稀少;同时,裂变反应堆会产生长寿命而且放射性较强的核废料(参考日本福岛),这些因素都限制了裂变的使用,因此越来越多的科学家将视线投向了聚变。
  聚变与裂变恰恰相反,需要的元素种类越轻越好,因此科学家们对氢元素的同位素氘产生了浓厚的兴趣。
  1939年,美国科学家贝特做了这样一个实验,他把一个氘原子核用加速器加速后和一个氚(氢的另一种同位素)原子核以极高的速度碰撞,让人意想不到事情发生了两个原子核竟然发生了融合,形成了一个新的原子核氦外加一个自由中子,在这个过程中时放出了17。6兆eV的能量,而这也恰恰是太阳持续45亿年发光发热的原理。
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  这就是聚变的原理,那么什么叫可控核聚变呢?
  早在1933年,核聚变的原理就被提出,而5年后,改变世界格局的核裂变才被发现。核聚变反应堆的原理很简单,很好理解,只不过实现起来对于当时的人类技术水准,几乎是不可能的。第一步,作为反应体的混合气必须被加热到等离子态也就是温度足够高到使得电子能脱离原子核的束缚,原子核能自由运动,这时才可能使得原子核发生直接接触,这个时候,需要大约10万摄氏度的温度。第二步,为了克服库仑力,也就是同样带正电荷的原子核之间的斥力,原子核需要以极快的速度运行,得到这个速度,最简单的方法就是继续加温,使得布朗运动达到一个疯狂的水平,要使原子核达到这种运行状态,需要上亿摄氏度的温度。然后就简单了,氚的原子核和氘的原子核以极大的速度,赤裸裸地发生碰撞,产生了新的氦核和新的中子,释放出巨大的能量。经过一段时间,反应体已经不需要外来能源的加热,核聚变的温度足够使得原子核继续发生聚变。这个过程只要氦原子核和中子被及时排除,新的氚和氘的混合气被输入到反应体,核聚变就能持续下去,产生的能量一小部分留在反应体内,维持链式反应,大部分可以输出,作为能源来使用。看起来很简单是吧,只有一个问题,你把这个高达上亿摄氏度的反应体放在哪里呢?迄今为止,人类还没有造出任何能经受1万摄氏度的化学结构,更不要说上亿摄氏度了。这就是为什么一槌子买卖的氢弹已经制造了50年后,人类还没能有效的从核聚变中获取能量的唯一原因。好了,人类是很聪明的,不能用化学结构的方法解决问题,我们就用物理的试验一下。早在50年前,两种约束高温反应体的理论就产生了,一种是惯性约束。这一方法把几毫克的氘和氚的混合气体装入直径约几毫米的小球内,然后从外面均匀射入激光束或粒子束,球面内层因而向内挤压。球内气体受到挤压,压力升高,温度也急剧升高,当温度达到需要的点火温度时,球内气体发生爆炸,产生大量热能。这样的爆炸每秒钟发生三四次,并持续不断地进行下去,释放出的能量就可以达到百万千瓦级的水平。这一理论的奠基人之一就是我国著名科学家王淦昌。另一种就是磁力约束,由于原子核是带正电的,那么我的磁场只要足够强大,你就跑不出去,我建立一个环形的磁场,那么你就只能沿着磁力线的方向,沿着螺旋形运动,跑不出我的范围,而在环形磁场之外的一点距离,我可以建立一个大型的换热装置(此时反应体的能量只能以热辐射的方式传到换热体),然后再使用人类已经很熟悉的方法,把热能转换成电能就是了。苏联科学家塔姆和萨哈罗夫提出的这种方法相对于惯性约束,世界受控核聚变研究,主要集中在这个领域上。
  我们国家在这个领域有先天的优势,加上机遇很好,走到世界第一集团,不是偶然的。说先天优势,是因为我们有王淦昌先生这样一批理论上的大师,使得我们的基础并不落后。国家对于能源的重视不是一天两天了,自1956年的12年科学规划以来,核聚变的研究已经进行了半个世纪,积累了大量的经验。还有一个祖宗留给我们的好礼物:内蒙古白云鄂博的稀土资源。它使得我们的超导工艺和激光技术并不落后这可是受控核聚变的重要组成部分。说我们机遇好,一方面是当年苏联解体,俄罗斯贱卖家底,我们得到了俄国的HT7超托卡马克,使我们跨越性的认识了这一系统。另一方面,国际扯皮使得ITER拖了近20年,我们赢得了追上去的机会,试想1985年ITER正式开建,怎么可能有中国的事情?中国人在这个关乎人类生存的领域,总算占有了一席之地,希望能良好地发展下去,早日求得正果,若如此,不仅为华夏之福,更是寰宇之大幸也。
  革命尚未成功,同志仍需努力!

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