正文 第17章 新時代的引擎——核能(2)(1 / 3)

6.可控核反應發電站——核電站

與火電廠相比,核電站是非常清潔的能源,不直接排放有害物質,也不會造成“溫室效應”,能改善環境質量,保護人類賴以生存的生態環境。

世界上核電國家多年統計資料表明,雖然核電站投資高於燃煤電廠,但是,由於核燃料成本遠遠地低於燃煤成本,相反,核燃料反應所釋放的能量卻遠遠高於化石燃料燃燒所釋放出來的能量,而且核燃料來源較廣,這就使得核電站總發電成本低於燒煤電廠。

7.核能是可持續發展的能源

據估計,世界上核裂變的主要燃料鈾的儲量為490萬噸。這些裂變燃料足可以用到聚變能時代到來。核聚變的燃料是氘和氚,l升海水能提取30毫克氘,在聚變反應中產生約等於300升汽油的能量,即“1升海水約等於300升汽油”。地球上海水中有40多萬億噸氘,足夠人類使用百億年。氚是從鋰元素分裂而來,地球上鋰儲量2000多億噸。鋰可用來製造氚,地球上能夠用於核聚變的氘和氚的數量,可供人類使用上千億年。太陽已經燃燒了50億年,專家測算還能燃燒50億年。有關能源專家認為,如果解決了核聚變技術,人類將從根本上解決能源問題,直到太陽係毀滅。

四、如何約束核聚變

苛刻的受控核聚變條件

目前主要的核聚變類型有

D+D→T+P

D+D→3He+n

D+T→4He +n

D+3He→4He+p

3He+3He→4He+2p

其中:D-氘,T-氚,P-質子,n-中子

在這些聚變中,氘-氚聚變是相對容易實現的一種核聚變。以此來討論要實現受控核聚變必須須具備以下物理條件:

①超高溫度:氘和氚的混合材料的熱核聚變反應溫度在1億度以上。在這種溫度下,氘氚混合氣體已完全電離,成為帶正電的氘、氚原子核和帶負電的自由電子混合而成的等離子體。

②等離子體約束:將上述等離子體約束起來,才能增大聚變反應的幾率,相遇的概率才夠大,不至於失散。

③勞森判據:簡而言之,就是氘、氚原子核和自由電子混合的等離子如果要發生持續受控核聚變,在溫度、粒子數密度和具體約束時間上需要滿足的定量關係。這是從能量角度得出的,隻有核反應產生的能量大於維持係統反應基本所需能量時,持續的核聚變才可能發生。

磁約束實現受控核聚變

磁約束就是通過磁場來約束參與反應的混合等離子體。

在長圓柱體空間裏的等離子因為帶電荷受洛倫茲力而做圓周運動。磁場中所有的等離子體就好像串繞在一條一條磁力線上,沿著磁力線作半徑微小的螺旋形運動。這樣就實現了對這些等離子體的約束,直到粒子之間的碰撞使它們離開各自原來串繞的磁力線。另一方麵,作螺旋形運動的帶電粒子,就是一個微小的螺旋形的電流。

這種磁約束可將原來是自由等離子體狀態的體積縮小106倍。但這種約束作用,隻表現在垂直於磁場的方向;在平行於磁場的方向,等離子體仍沒有得到約束,在磁場圓筒方向上要求長度足夠長。這樣會引起等離子體沿圓筒真空室兩端逸出的損失。

目前,磁約束聚變裝置類型有托卡馬克、球形托卡馬克、仿星器、磁鏡、箍縮裝置、球馬克、內環裝置等。托卡馬克是由前蘇聯庫爾恰托夫原子能研究所的阿爾齊莫雄奇等首先提出來的,它的結構最簡單,在其上所獲得的等離子體參數卻是到目前為止最好的,也是有可能最先建成的熱核聚變反應堆。

激光慣性約束實現受控核聚變

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。從外麵均勻射入激光束或粒子束,球麵因吸收能量而向外蒸發,受它的反作用,球麵內層向內擠壓,,就像噴氣飛機氣體往後噴而推動飛機前飛一樣,小球內氣體受擠壓而壓力升高,並伴隨著溫度的急劇升高。當溫度達到所需要的點火溫度時,小球內氣體便發生爆炸,並產生大量熱能。這種爆炸過程時間很短,隻有幾個皮秒。如每秒鍾發生三四次這樣的爆炸並且連續不斷地進行下去,所釋放出的能量就相當於百萬個千瓦級的發電站。實質上,這種熱核反應就相當於微型氫彈爆炸。