第四章：核聚变高温等离子体应用

第四章：核聚变高温等离子体应用内容摘要：

足够密度 ,及足够长的热能 约束时间 ,聚变反应就可稳定 ,持续运行 . 目前两种研究方案 : 磁约束。 惯性约束 . :利用强磁场可以约束带电粒子的特性 . : 依靠物质的惯性将等离子体约束住 ,使核心处温度 ,压力骤升 产生聚变 .在不稳定的等离子体中实现核聚变 . 氢弹也属于惯性约束聚变 .但不可控 .用原子弹所产生的高温高压 使氢弹中的聚变燃料挤压在一起 ,在飞散之前产生大量聚变 . 同位素 : 指质子数 ,电子数均相同 ,但中子数不同的同一类原子 . 氘 —无放射性 ,氢的同位素 . 其原子核 : 1个质子 +1个中子 氚 有放射性 (半衰期 ~10年 ).但自然界无 .用中子轰击锂产生 . 1个质子 +2个中子 氘原子 + 氚原子 =﹥ 氦 4 原子 (2个质子 +2个中子 ) +1个中子 (高能 ). D + T 4He + n 为何用氘 +氚 ,不是两个氘原子聚合 ? 回答 : 因为氘与氚的聚合反应 最容易实现 . 实现核聚变条件 : 1. 高温 : 要使所有电子都从原子中跑出 .完全等离子体态 .上亿度 . 2. 高压 :将原子挤在一起 ,原子之间距离在 10 ‾185。 ⁵米内 . 反应速率是温度函数 ,在温度达数亿度时有最大值 . 劳森判据 : 自行维持反应系统的条件 . 所供能量使燃料达到点火温度 ,且具有实用性 ,必须使热核反应放出的能量 至少要和加热燃料的能量相当 . 为达到这一目的 ,须保证核燃料有足够的 密度 ,同时 ,由于等离子体不易稳定 ,须设法延长等离子体存在时间 . 也就是说 , 密度 n 增加 ,碰撞机会多 ,反应更充分 ,而稳定时间长 ,反应才可能充分 . ∴ n(离子数密度 ) Ƭ(稳定时间 ) ≧ 常数 . ˥ 温度 ≈１０ ↑ 8 176。 K, 上亿度 ˩ 称为劳森判据 . 对氘 氘反应 , 如用 n 表示每立方厘米的离子密度，时间 Ƭ以秒为单位，此常数 为 5 10185。 ⁵. 对氘 氚反应而言 ,此常数为 2 10↑１４ . 卲 : 如果 n 为１０ ↑１４ ,则 稳定时间至少需要２秒钟 . 磁约束核聚变堆原理图 : 磁场对等离子体作用 :一些基本概念 匀稳磁场。 非均匀磁场。 3. 等离子体的不稳定性 环形托卡马克聚变堆进展。 欧 ,美磁约束核聚变装置使用氘氚 混合燃料获得过上亿度的等离子体 且获得上万千瓦输出 . 我国目前拥有两台实验装置。 合肥 , 全超导非圆截面托卡马克 ,已两次 成功放电 . 成都 ,中国环流器 2号 , 2020年获得等离子体电子温度 5500万度 . 均匀磁场中 : 带电粒子绕磁力线作螺旋运动 . 沿 B方向 V不变 , dV平行 /dt =0.(或等于常数）。 洛仑兹力与 V 垂直 垂直 ,不做功 . 回旋半径 – 圆周半径 . 运动方程： mV⊥ 178。 /r = qV⊥ Bo 沿垂直方向 粒子动能 = 189。 mv178。 = 常数 r = mv⊥ /qBo 半径随磁场强度变小。 非均匀磁场 : 磁场强处回旋半径小 ,弱处回旋 半径大 =有回折的震荡曲线 .每 一次粒子在弱磁场经历的时间 ,路程 长 .=被推向磁场较弱处 .另外产生 横向漂移从而影响等离子体稳定性 . 带电粒子流产生的磁场 : 带电粒子运动会产生磁场 .见图 : q 为一带正电粒子沿 Z向运动 ,产 生的磁场沿囿柱坐标切向 . 如果 另一同号电荷粒子也沿 Z向运动 . 它将受到指向 Z 轴的洛仑兹力 ,而 原粒子也将受到此粒子的磁场作 用力 . 两个带电粒子的磁相互作 用使它们一起被压缩 . 等离子体中有 电流流过时产生的磁场 : 图中一个通有纵向电流的等离子 体囿柱 ,内外均有磁场 .囿柱体内 运动的正负电荷粒子不磁场作用 使粒子都向中心靠 ,起了磁压缩的 作用 .如果此压缩力足以兊服等离 子体热运动的压力 ,柱将变细 .称为 等离子体自磁压缩 .(pinch) 磁约束 : 磁镜效应： 首先，看一个带电粒子以任意角度进入磁场： a)磁场中粒子的轨道 b) 磁镜场中粒子的漂移 ȹ角为粒子入射角 . 在两端放置两个环形线圈可形成这样 的磁场 : 中间磁场弱 ,两端强 . 我们分析带电粒子在磁场中的运动 . 观察三点位置 : P⒈ P⒉ P⒊ 下带电 粒子所受到的力。 (洛伦兹力 ) 假设一带正电的粒子以垂直于纸面向里的速度 v进入，在 P1点处，由于 B 的 轴向分量，使带电粒子作圆周运动。 此处的磁场 B还有一个不大的径向分量，。