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  在高温下使轻元素的原子核发生可控制的聚变反应而形成重元素原子核的过程。热核反应过程中放出大量核能,这是太阳、恒星和氢弹的能量来源。受控热核反应在可控制的条件下进行,反应过程不象氢弹那样猛烈,释放出来的能量可以转换为电能。海水中含有大量的氘(氢的同位素),可作为热核反应的燃料,如果受控热核反应一旦实现,将使人类获得一种几乎取之不尽的能源。受控热核反应从20世纪50年代初开始研究,取得了很大的进展,但仍停留在实验室研究阶段。不过这方面的研究工作已经有力地推动了磁流体力学等离子体动力学的发展。

受控热核反应条件

  受控热核反应研究的第一步是实现点火。所谓点火是指聚变产生的功率等于等离子体辐射损失的功率,这是受控热核反应实际进行时的最低要求。J.D.劳孙给出的判据(劳孙判据)为:对氘-氘反应,温度高于2亿开,nτ≥1016(秒/厘米3);对氘-氚反应,温度高于5000万开,nτ≥1014(秒/厘米3);其中n为每立方厘米等离子体中所含原子核的个数;τ为等离子体能量约束时间。换句话说,点火条件是把等离子体加热到5000万开至2亿开的高温,并使一定密度的等离子体维持足够长的时间。受控热核反应的这一步,目前尚未完全达到。

受控热核反应实验装置

  产生受控热核反应的实验装置有两大类:

  ①惯性约束装置 不用特殊方法维持或约束等离子体的装置。用激光束或电子束、离子束等照射固态氘或其他燃料制成的小球靶,在对称激光束的辐射下,小球靶向中心爆聚。当小球靶的温度高于一亿开,密度比固体高几千倍以上时,就会产生受控热核反应。实质上,这种热核反应就相当于微型氢弹爆炸,而“惯性约束”就意味着不约束。

  惯性约束涉及很多等离子体动力学问题,如激波加热问题。在爆聚过程中,如果只有单个激波,最大压缩时的密度只能增加3倍;如果对激光束的输出功率进行调制,使等离子体产生一系列激波,并在所要求的时间内同时收缩到中心(靶心),则可使密度增大1000倍。要达到这种效果,大约需要7个激波。这样的时间控制,已在实验室中实现。惯性约束中的等离子体稳定性问题也是等离子体动力学研究的问题之一。由于爆聚过程相当于轻流体驱动重流体作加速运动,会产生瑞利-泰勒不稳定性(见磁流体力学稳定性)。其后果不仅使爆聚失去对称性,影响压缩比,而且会产生强烈混合,降低燃烧率。这是实现激光核聚变的主要障碍之一。

  ②磁约束装置 用强磁场使高温等离子体与容器器壁隔开的装置,有托卡马克(见磁流体静力学)、磁镜、仿星器和角箍缩等。托卡马克是研究得最普遍的一种,实验数据也和劳孙判据最接近。

  学者们曾提出多种把等离子体加热到高温的方法。首先是欧姆加热法,即用大电流通过等离子体,等离子体由于具有一定电阻而产生热效应,温度因而升高。但是温度升到一定程度,电阻便下降,所以此法一般只能加热到1000万开左右。其次是磁压缩法,即用逐渐增强的磁场来压缩等离子体,以达到加热的目的。目前最有效的加热法是注入中性束,即把高能的中性粒子束(如氘粒子束)透过磁场注入等离子体,从而提高等离子体的温度。采用这种方法,1981年美国的托卡马克PLT装置已能达到8000万开的高温。目前正在研究的是波加热法,即把各种不同频率的波入射到等离子体中,通过共振使等离子体加热。

  被磁场包围(约束)的高温等离子体的一个固有特性是磁流体力学不稳定性。经过多年研究,已提出一些有效的方法来抑制磁流体力学不稳定性的发生。例如,在等离子体中加上强纵向磁场,在强纵向磁场外面加上良导体壁,设计某些特殊的磁场位形,等等(见磁流体力学稳定性)。

  参考书目

  S.Glasstone and R.H.Lovberg,Controlled Thermo-nuclear Reactions, Van Nostrand Co., Princeton, New Jersey,1960.

  H.Metz,The Physics of Laser Fusion, AcademicPress,London, 1979.

  M.Murakami and H.P. Eubank, Recent Progressin Tokamak Experiments,Physics Today, pp. 25~32,May 1979.

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