人工可控核聚变怎样实现可控核聚变的实现难点是什么?

2021-03-07 11:14:03 字数 4794 阅读 4488

1楼:匿名用户

核能包括裂变能和聚变能两种主要形式。裂变能是重金属元素的质子通过裂变而释放的巨大能量,目前已经实现商用化。因为裂变需要的铀等重金属元素在地球上含量稀少,而且常规裂变反应堆会产生长寿命放射性较强的核废料,这些因素限制了裂变能的发展。

另一种核能形式是目前尚未实现商用化的聚变能。核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核,并释放出能量的过程。自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素——氘与氚的聚变,这种反应在太阳上已经持续了150亿年。

氘在地球的海水中藏量丰富,多达40万亿吨,如果全部用于聚变反应,释放出的能量足够人类使用几百亿年,而且反应产物是无放射性污染的氦。另外,由于核聚变需要极高温度,一旦某一环节出现问题,燃料温度下降,聚变反应就会自动中止。也就是说,聚变堆是次临界堆,绝对不会发生类似前苏联切尔诺贝利核(裂变)电站的事故,它是安全的。

因此,聚变能是一种无限的、清洁的、安全的新能源。其实,人类已经实现了氘氚核聚变——氢弹**,但那种不可控制的瞬间能量释放只会给人类带来灾难。人类需要的是实现受控核聚变,以解决能源危机。

聚变的第一步是要使燃料处于等离子体态,即进入物质第四态。等离子体是一种充分电离的、整体呈电中性的气体。在等离子体中,由于高温,电子已获得足够的能量摆脱原子核的束缚,原子核完全裸露,为核子的碰撞准备了条件。

当等离子体的温度达到几千万摄氏度甚至几亿度时,原子核就可以克服斥力聚合在一起,如果同时还有足够的密度和足够长的热能约束时间,这种聚变反应就可以稳定地持续进行。等离子体的温度、密度和热能约束时间三者乘积称为“聚变三重积”,当它达到1022时,聚变反应输出的功率等于为驱动聚变反应而输入的功率,必须超过这一基本值,聚变反应才能自持进行。由于三重积的苛刻要求,受控核聚变的实现极其艰难,真正建造商用聚变堆要等到21世纪中叶。

作为21世纪理想的换代新能源,核聚变的研究和发展对中国和亚洲等能源需求巨大、化石燃料资源不足的发展中国家和地区有特别重要的战略意义。 受控热核聚变能的研究分惯性约束和磁约束两种途径。惯性约束是利用超高强度的激光在极短的时间内辐照靶板来产生聚变。

磁约束是利用强磁场可以很好地约束带电粒子这个特性,构造一个特殊的磁容器,建成聚变反应堆,在其中将聚变材料加热至数亿摄氏度高温,实现聚变反应。20世纪下半叶,聚变能的研究取得了重大的进展,托卡马克类型的磁约束研究领先于其它途径。 托卡马克是前苏联科学家于上世纪60年代发明的一种环形磁约束装置。

美、日、欧等发达国家的大型常规托卡马克在短脉冲(数秒量级)运行条件下,做出了许多重要成果。等离子体温度已达4.4亿度;脉冲聚变输出功率超过16兆瓦; q值(表示输出功率与输入功率之比)已超过1.

25。所有这些成就都表明:在托卡马克上产生聚变能的科学可行性已被证实。

但这些结果都是在数秒时间内以脉冲形式产生的,与实际反应堆的连续运行仍有较大的距离,其主要原因在于磁容器的产生是脉冲形式的。 受控热核聚变能研究的一次重大突破,就是将超导技术成功地应用于产生托卡马克强磁场的线圈上,建成了超导托卡马克,使得磁约束位形的连续稳态运行成为现实。超导托卡马克是公认的探索、解决未来具有超导堆芯的聚变反应堆工程及物理问题的最有效的途径。

目前,全世界仅有俄、日、法、中四国拥有超导托卡马克。法国的超导托卡马克 tore-supra体积是 ht-7的17.5倍,它是世界上第一个真正实现高参数准稳态运行的装置,在放电时间长达120秒条件下,等离子体温度为两千万度,中心密度每立方米1.

5×1019,放电时间是热能约束时间的数百倍。

2楼:匿名用户

目前人类已经可以实现不受控制的核聚变,如氢弹的**。但是要想能量可被人类有效利用,必须能够合理的控制核聚变的速度和规模,实现持续、平稳的能量输出。科学家正努力研究如何控制核聚变,但是现在看来还有很长的路要走。

目前主要的几种可控核聚变方式:

超声波核聚变

激光约束(惯性约束)核聚变

磁约束核聚变(托卡马克)

实现受控核聚变具有极其诱人的前景。不仅因为核聚变能放出巨大的能量,而且由于核聚变所需的原料——氢的同位素氘可以从海水中提取。经过计算,1升海水中提取出的氘进行核聚变放出的能量相当于100升汽油燃烧释放的能量。

全世界的海水几乎是“取之不尽”的,因此受控核聚变的研究成功将使人类摆脱能源危机的困扰。

但是人们现在还不能进行受控核聚变,这主要是因为进行核聚变需要的条件非常苛刻。发生核聚变需要在1亿度的高温下才能进行,因此又叫热核反应。可以想象,没有什么材料能经受得起1亿度的高温。

此外还有许多难以想象的困难需要去克服。尽管存在着许多困难,人们经过不断研究已取得了可喜的进展。科学家们设计了许多巧妙的方法,如用强大的磁场来约束反应,用强大的激光来加热原子等。

可以预计,人们最终将掌握控制核聚变的方法,让核聚变为人类服务。

利用核能的最终目标是要实现受控核聚变。裂变时靠原子核**而释出能量。聚变时则由较轻的原子核聚合成较重的较重的原子核而释出能量。

最常见的是由氢的同位素氘(读"刀",又叫重氢)和氚(读"川",又叫超重氢)聚合成较重的原子核如氦而释出能量。 核聚变较之核裂变有两个重大优点。一是地球上蕴藏的核聚变能远比核裂变能丰富得多。

据测算,每升海水中含有0.03克氘,所以地球上仅在海水中就有45万亿吨氘。1升海水中所含的氘,经过核聚变可提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量。

地球上蕴藏的核聚变能约为蕴藏的可进行核裂变元素所能释出的全部核裂变能的1000万倍,可以说是取之不竭的能源。至于氚,虽然自然界中不存在,但靠中子同锂作用可以产生,而海水中也含有大量锂。

3楼:匿名用户

目前主要的几种可控核聚变方式:

超声波核聚变

激光约束(惯性约束)核聚变

磁约束核聚变(托卡马克)

4楼:匿名用户

简单的回答:根据爱因斯坦质能方程e=mc2.

原子核发生聚变时,有一部分质量转化为能量释放出来.

只要微量的质量就可以转化成很大的能量.

两个轻的原子核相碰,可以形成一个原子核并释放出能量,这就是聚变反应,在这种反应中所释放的能量称聚变能。聚变能是核能利用的又一重要途径。

最重要的聚变反应有:

式中d是氘核(重氢)、t是氚核(超重氢)。以上两组反应总的效果是:

即每“烧’掉6个氘核共放出43.24mev能量,相当于每个核子平均放出3.6mev。它比n+裂变反应中每个核子平均放出200/236=0.85mev高4倍。因此聚变能是比裂变能更为巨大的一种核能。

可控核聚变的实现难点是什么?

5楼:小小一个小明

其实,可控核聚变,就是我们常说的人造太阳了。说实在的,核聚变比核裂变清洁。因为核聚变是两个氢原子,变成了氦原子,没有产生什么核废料。

只不过,用来核聚变的氘氚,要收集的话,比较麻烦。而且,自然界中没有氚。所以,生产氚来制作核聚变的话,有点像是拿钱来换钱一样。

要注意了,材料是最重要的,没有材料,就很难实现。

6楼:匿名用户

目前的问题很多也很棘手。一个是可控,一个是材料。因为聚变反应高达上亿℃,没有任何材料可以承受如此高温,所以科学家们提出强磁场约束等离子体的理念。

然而目前的技术手段,缺乏长时间提供强大磁场约束的能力。目前的实验堆只能维持不到两分钟。

也就是说,给人造太阳做的笼子还是不牢靠,这是最大的问题。

然后就是反应材料,虽然储量丰富,但是开采很难。

如果要实现商用,反应堆必须做到足够大的输出功率,这个目前没有任何经验,谁都不知道会不会发生不可控事件比如核爆,黑洞等等问题。

7楼:于昌斌的

难点持强磁场,解决等离子体中的不稳定现象,材料耐辐射等。

聚变堆面临的主要理论困难是很多种不稳定性的成因和物理解决办法,不稳定性有很多种,每种都要搞清楚,现在大的不稳定应已经可以克服。但如果要商业运行,聚变堆必须做到很大,这就让里面的物理问题变得更复杂,所以这也是现在正在解决的方向之一。

8楼:匿名用户

难点在于控制,可控核聚变的安全性稳定性还不是很可靠,所以人类可以造出来但是却不能很好的控制

9楼:活宝

****请咨询中国科学院 。哈哈

10楼:匿名用户

当世界把托卡马克装置挪进鹦鹉螺,极端扭曲的壳腔时,纠集的托卡马克解放了。

(π1)、磁s 极与n 极交心了。

等离子电流环感生电感效应导致制导磁能n 极越迁到大规模磁s 螺旋腔,在单向磁s的大规模螺旋另加磁n 极回转偏向结构_简称磁偏流结构。

π2、等离子体与中子紧束了。

等离子电流在托卡马克装置内螺旋磁应力下,产生的+-电场强度周期性波动与极度扭曲等离子流结构,仿星器技术旨在向内接近扭曲等离子电流,以解决中子能量辐射外散致第一壁,却无意中阻挡了氦灰的有效排出,严重影响了等离子体的浓度与温度保持,还有其精密磁控化设计,实时等离子电流的峰值波动信息与外部磁控存在平衡的滞后性,不能自持聚变。而在本结构理论设计的标准参量模型下,等离子电流代替了托卡马克的超导电流环笼,成为磁偏转流结构体内的一个开放型紧束的体系链,短程瞬时内就完成电与磁的饱和**换,中心磁“n”极与外环磁s极(在托卡马克装置下是磁岛、磁面撕裂的难题)。

因极具能量的中子只能在核运动的路径上,磁偏转结构的不完全磁n 极平衡所需要相对量的大规模磁s极的消耗比例,而其所有余量磁s来完成所需的周期性电场势能强度,以促进保持+-离子空间相位角与单位时间内的能量交换强度。其中过程可理解为核作用力,“电与磁交换短程性,瞬时性,而与整个“托卡马克虚化体”达成空间电荷相对的无关性,再则也可以保持中心磁n 极磁电感强度,以保持磁n 极在腔内的空间角度与磁紧束的张度的稳定性”,此过程性质与核作用力基本一致。

11楼:嗯啊哦了呵

聚变堆面临的主要理论困难是很多种不稳定性的成因和物理解决办法,不稳定性有很多种,每种都要搞清楚,现在大的不稳定应已经可以克服。但如果要商业运行,聚变堆必须做到很大,这就让里面的物理问题变得更复杂,所以这也是现在正在解决的方向之一。

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