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氘-氚反应堆

文章出处:水果游戏机 人气:发表时间:2020-06-14 22:52

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  除了重原子核铀235、钚239等的裂变能释放核能外,还有另一种核反应,即轻原子核氘和氚结合成较重的原子核氦时也能放出巨大能量,反应式为:H-2+H-3==He-4+n 或 D+T==He+n;完成此聚变的核反应堆叫做氘-氚反应堆。

  氢中有0.02%的氘。在大自然的含量约为一般氢的7000分之一 ,用于热核反应,聚变时放出β射线 的氦。氘被称为“未来的天然燃料”。氘为氢的一种稳定形态的放射性同位素。

  氚带有放射性,会发生β衰变,其半衰期为12.43年。由于氚的β衰变只会放出高速移动的电子,不会穿透人体,因此只有大量吸入氚才会对人体有害。在地球的自然界中,相比一般的氢气,氚的含量极少。氚的产生是当宇宙射线所带的高能量中子撞击氘核,其氘核与中子结合为氚核。氚与氘一样,都是制造氢弹的原料。自然界中存在极微,从核反应制得。主要用于热核反应。

  早在第二次世界大战期间,氢即用作A-2火箭发动机的液体推进剂。1960年液氢首次用作航天动力燃料。1970年美国发射的“阿波罗”登月飞船使用的起飞火箭也是用液氢作燃料。现在氢已是火箭领域的常用燃料了。

  氢不但是一种优质燃料,还是石油、化工、化肥和冶金工业中的重要原料和物料。石油和其他化石燃料的精炼需要氢,如烃的增氢、煤的气化、重油的精炼等;化工中制氨、制甲醇也需要氢。氢还用来还原铁矿石。用氢制成燃料电池可直接发电。采用燃料电池和氢气-蒸汽联合循环发电,其能量转换效率将远高于现有的火电厂。随着制氢技术的进步和贮氢手段的完善,氢能将在21世纪的能源舞台上大展风采。

  氘是普通氢较重的稳定同位素。常温下,它是一种无色、无味、无毒无害的可燃性气体。它用于核能、可控核聚变反应、氚化光导纤维、氚润滑油、激光器、灯泡、实验研究、半导体材料韧化处理以及核医学,核农业等方面;另外在军事上,它也有一些重要的用途,比如制造氢弹,中子弹和DF激光武器。

  氚除了用作核武器的材料外,其他用途很多。氚最容易在高温条件下与氘实现核聚变反应,提取到的氚气中常含有多种杂质气体,释放出巨大能量:3H+2H─→4He+n+17.6MeV

  许多国家都在大力进行氚氘热核聚变自持反应堆的研究开发,并已取得了重要进展。经反应堆中子辐照过的锂铝合金,用加速的氘核来轰击氚靶可以通过这种核反应产生12~20兆电子伏的单能中子,对核科学技术的研究非常有用。用氚靶制成的中子管(中子发生器)已有商品出售。

  国际热核聚变实验堆(ITER)计划是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一,建造约需10年,耗资50亿美元(1998年值)。ITER装置是一个能产生大规模氘氚核聚变反应的超导托克马克,俗称人造太阳。2003年1月,国务院批准我国参加ITER计划谈判,2006年5月,经国务院批准,中国ITER谈判联合小组代表我国政府与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共同草签了ITER计划协定。这七方包括了全世界主要的核国家和主要的亚洲国家,覆盖的人口接近全球一半。我国参加ITER计划是基于能源长远的基本需求。2013年1月5日中科院合肥物质研究院宣布,人造太阳实验装置辅助加热工程的中性束注入系统在综合测试平台上成功实现100秒长脉冲氢中性束引出。

  该计划的目标是在2025年对反应堆实现首次点火,以证实核聚变的能源利用可行性。

  如果说重原子核在中子打击下分裂放出的裂变能是当今原子能电站及能量的来源,则两个氢原子核聚合反应放出核聚变能就是宇宙间所有恒星(包括太阳)释放光和热及氢弹的能源。人类已经能控制和利用核裂变能,但由于很难将两个带正电核的氢原子核靠近从而产生聚变反应,控制和利用核聚变能则需要历经长期的、非常艰苦的研发历程。在所有的核聚变反应中,氢的同位素---氘和氚的核聚变反应(即氢弹中的聚变反应)是相对比较易于实现的。

  在氘氚自持反应堆中,氘氚等离子体的自持燃烧主要是依靠阿尔法粒子的加热来维持的。在稳态条件下,等离子体的温度剖面主要与输运过程及冷燃料(即氘氚原子)的补充方式有关,而与原先为启动燃烧所用的加热方法及加热功率的沉积剖面基本无关。

  氘氚核聚变反应也可以释放巨大能量。氘在海水中储量极为丰富,一公升海水里提取出的氘,在完全的聚变反应中可释放相当于燃烧300公升汽油的能量;氚可在反应堆中通过锂再生,而锂在地壳和海水中都大量存在。氘氚反应的产物没有放射性,中子对堆结构材料的活化也只产生少量较容易处理的短寿命放射性物质。聚变反应堆不产生污染环境的硫、氮氧化物,不释放温室效应气体。再考虑到聚变堆的固有安全性,可以说,聚变能是无污染、无长寿命放射性核废料、资源无限的理想能源。受控热核聚变能的大规模实现将从根本上解决人类社会的能源问题。

  考虑到氘和氚原子核能产生聚变反应的条件,若要求氘、氚混合气体中能产生大量核聚变反应,则气体温度必须达到1亿度以上。在这样高的温度下,气体原子中带负电的电子和带正电的原子核已完全脱开,各自独立运动。这种完全由自由的带电粒子构成的高温气体被称为等离子体。因此,实现受控热核聚变首先需要解决的问题是用什么方法及如何加热气体,使得等离子体温度能上升到百万度、千万度、上亿度。但是,超过万度以上的气体是不能用任何材料所构成的容器约束,使之不飞散的,因此必须寻求某种途径,防止高温等离子体逃逸或飞散。具有闭合磁力线的磁场(因为带电粒子只能沿磁力线运动)是一种最可能的选择。对不同设计出的磁笼中等离子体运动行为及防止逃逸的研究(即所谓稳定性研究),成为实现受控热核聚变的第二个难点。如果要使高温等离子体中核聚变反应能持续进行,上亿度的高温必须能长时间维持(不论靠聚变反应产生的部分能量,或外加部分能量)。或者可以说,等离子体的能量损失率必须比较小。提高磁笼约束等离子体能量的能力,这是论证实现磁约束核聚变的科学可行性的第三个主要内容。除了验证科学可行性外,建设一个连续运行的聚变反应堆还需要解决加料、排废、避免杂质、中子带出能量到包层、产氚及返送以及由于聚变反应产生大量带电氦原子核对等离子体的影响等一系列科学和工程上的难题。

  从20世纪40年代末起,各国就开发了多种磁笼途径,并由之出发,对聚变能科学可行性展开了不同规模的理论与实验探索研究。投入科学家及工程师上千人,经费总计每年超过10亿美元。各途径竞争非常激烈,其间纷争不断。在这过程中,人们对实现聚变能难度的认识也逐步加深。但从20世纪70年代开始,苏联科学家发明的托克马克途径逐渐显示出了独特的优点,并在80年代成为聚变能研究的主流途径。托克马克装置又称环流器,是一个由环形封闭磁场组成的磁笼。等离子体就被约束在这磁笼中,很像一个中空的面包圈,等离子体环中感生一个很大的环电流。随着各国大小不一的托克马克装置的建成、投入运行和实验,托克马克显示了较为光明的前景:等离子体达到了数百万度,等离子体约束也获得了明显效果。科学家们认识到,如果扩大此类装置的规模,有可能获得接近聚变条件的等离子体。

  20世纪90年代,在欧洲、日本、美国的几个大型托克马克装置上,聚变能研究取得突破性进展。不论在等离子体温度、在稳定性及在约束方面都已基本达到产生大规模核聚变的条件。初步进行的氘-氚反应实验,得到16兆瓦的聚变功率。可以说,聚变能的科学可行性已基本得到论证,有可能考虑建造聚变能实验堆,创造研究大规模核聚变的条件。

  21世纪,作为聚变能实验堆,ITER要把上亿度、由氘氚组成的高温等离子体约束在体积达837立方米的磁笼中,产生50万千瓦的聚变功率,持续时间达500秒。50万千瓦热功率已经相当于一个小型热电站的水平。这将是人类第一次在地球上获得持续的、有大量核聚变反应的高温等离子体,产生接近电站规模的受控聚变能。

  在ITER上开展的研究工作将揭示这种带有氘氚核聚变反应的高温等离子体的特性,探索它的约束、加热和能量损失机制,等离子体边界的行为以及最佳的控制条件,从而为今后建设商用的核聚变反应堆奠定坚实的科学基础。对ITER装置工程整体及各部件在50万千瓦聚变功率长时间持续过程中产生的变化及可能出现问题的研究,不仅将验证受控热核聚变能的工程可行性,而且还将对今后如何设计和建造聚变反应堆提供必不可少的信息。

  ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克。其装置中心是高温氘氚等离子体环,其中存在15兆安的等离子体电流,核聚变反应功率达50万千瓦,每秒释放多达1020个高能中子。等离子体环在屏蔽包层的环型包套中,屏蔽包层将吸收50万千瓦热功率及核聚变反应所产生的所有中子。

  在包层外是巨大的环形真空室。在下侧有偏虑器与真空室相连,可排出核反应后的废气。线个大型超导环向场线圈(即纵场线圈)中。

  环向超导磁体将产生5.3特斯拉的环向强磁场,是装置的关键部件之一,价值超过12亿美元。

  穿过环的中心是一个巨大的超导线圈筒(中心螺管),在环向场线圈外侧还布有六个大型环向超导线圈,即极向场线圈。中心螺管和极向场线圈的作用是产生等离子体电流和控制等离子体位形。

  在本体外分布4个10兆瓦的强流粒子加速器,10兆瓦的稳态毫米电磁波系统,20兆瓦的射频波系统及数十种先进的等离子体诊断测量系统。

  整个体系还包括:大型供电系统、大型氚工厂、大型供水(包括去离子水)系统、大型高真空系统、大型液氮、液氦低温系统等。

  ITER本体内所有可能的调整和维修都是通过远程控制的机器人或机器手完成。

  氘-氚聚变能具有资源无限,不污染环境,不产生高放射性核废料等优点,是人类未来能源的主导形式之一,也是目前认识到的可以最终解决人类社会能源问题和环境问题、推动人类社会可持续发展的重要途径之一。

  堆积如山的技术难题、不断攀升的巨额成本面前,世界上最大的科学工程之一——国际氘-氚热核聚变实验堆(ITER)计划不得不修改既定的时间表。ITER理事会近日签署了最新的完整日程计划,确定在2025年12月实现第一束等离子体,这比原计划推迟了5年。为此,理事会正要求这一大型项目的七个成员方——中国、欧盟、印度、日本、俄罗斯、韩国和美国额外增加40亿欧元的支出。

  氚水是水的唯一理想的放射性示踪剂,在地下水分布的测定、水库渗漏的测定、河流、湖泊、泉水流动的跟踪、1954~1963年期间大气层的氢弹试验、冰川运动的观测以至水文学各方面的研究工作中应用很广。氚和氚标记化合物对于化学反应的研究,尤其是生物、医学、生化、生命科学等的研究特别有用。

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