物理学前言原子能及和平利用2

1、 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子核物理学原子核物理学 自从人类学会如何使用能源使自己生活更加舒适和方便后，人们使用能源的能力和对能源的消耗就不断增加。工业文明发展之后，这种需求和增加就越来越快。为了保持人类的舒适生活，现在对能源的消耗极大。7. 能源消耗现状能源消耗现状 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子核物理学原子核物理学 7. 能源消耗现状能源消耗现状 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子核物理学原子核物理学 0246810121419902000201020202030mb/d-20%0%20%40%60%80%100%ProductionDemandImports as

2、% of demand (right axis)7. 能源消耗现状能源消耗现状 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子核物理学原子核物理学 矿物能源不仅造成各种污染和矿物能源不仅造成各种污染和“温室效应温室效应”，而且大约，而且大约在在200年之内，石油、煤和天然气资源都有枯竭之虞。从长年之内，石油、煤和天然气资源都有枯竭之虞。从长远来看，核能将是继石油、煤和天然气之后主要能源，人类远来看，核能将是继石油、煤和天然气之后主要能源，人类将从将从“石油文明石油文明”走向走向“核能文明核能文明”。核能核能-未来能源的选择未来能源的选择原子弹氢弹8.核聚变的利用核聚变的利用可控核聚变可控核聚变 物理学

3、物理学前沿前沿第四章第四章 原子核物理学原子核物理学 5核聚变核聚变 由轻核聚合成中等核的过程由轻核聚合成中等核的过程. .实现聚变反应的三个条件实现聚变反应的三个条件 等离子体的温度足够高等离子体的温度足够高; ; 等离子体的密度足够大等离子体的密度足够大; ; 所需的高温和密度须维持足够长所需的高温和密度须维持足够长的时间的时间. . 1957年年,劳逊将以上三个条件定量化劳逊将以上三个条件定量化(对对dt反应反应)形成劳逊判据形成劳逊判据,这是实现聚变反应并获得能量增益的必要条件这是实现聚变反应并获得能量增益的必要条件.劳逊判据劳逊判据 keVTcmsn10/10314 太阳的热核聚变由

4、万有引力约束，这需要有恒星那样大的质量，太阳的热核聚变由万有引力约束，这需要有恒星那样大的质量，这不仅在地球上做不到，即使在太阳系最重的木星上也不能实现。这不仅在地球上做不到，即使在太阳系最重的木星上也不能实现。8.核聚变的利用核聚变的利用可控核聚变可控核聚变 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子核物理学原子核物理学 即每个氘核聚变后可产生约即每个氘核聚变后可产生约7.2MeV的能量，是每个的能量，是每个重核裂变释放能量重核裂变释放能量0.85MeV的的8.5倍，单位质量的氘核聚倍，单位质量的氘核聚变释放的能量比裂变大很多，这是聚变反应作为一种潜在变释放的能量比裂变大很多，这是聚变反应作为一

5、种潜在新能源的突出优点，地球上风能，水能，以及生物生长的新能源的突出优点，地球上风能，水能，以及生物生长的能量等等几乎都来自于太阳，而太阳表面所发生的就是核能量等等几乎都来自于太阳，而太阳表面所发生的就是核聚变反应。太阳本身就是一个超大的核聚变反应堆。聚变反应。太阳本身就是一个超大的核聚变反应堆。 8.核聚变的利用核聚变的利用可控核聚变可控核聚变 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子核物理学原子核物理学 氘在海水中的含量氘在海水中的含量还是比较高的，只需要还是比较高的，只需要通过精馏法取得重水，通过精馏法取得重水，然后再电解重水就能得然后再电解重水就能得到氘到氘,精馏法利用氘化精馏法利用氘化

6、合物的蒸气压特点而浓合物的蒸气压特点而浓缩。目前最大的液氢精缩。目前最大的液氢精馏重水厂年产馏重水厂年产14吨重水吨重水。水精馏操作简单可靠。水精馏操作简单可靠、原料充足，但因分离、原料充足，但因分离系数小而能耗过大系数小而能耗过大.8.核聚变的利用核聚变的利用可控核聚变可控核聚变 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子核物理学原子核物理学 8.核聚变的利用核聚变的利用可控核聚变可控核聚变 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子核物理学原子核物理学 现在人类的氚都是人工制造而非天然提取的，人们现在人类的氚都是人工制造而非天然提取的，人们通常用重水反应堆在发电之余人工制造少量的氚，它是地通常用重

7、水反应堆在发电之余人工制造少量的氚，它是地球上最贵的东西之一，一克氚价值超过球上最贵的东西之一，一克氚价值超过30万美元，仅在美万美元，仅在美国保存有国保存有30公斤左右的氚。公斤左右的氚。 8.核聚变的利用核聚变的利用可控核聚变可控核聚变 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子核物理学原子核物理学 8.核聚变的利用核聚变的利用可控核聚变可控核聚变 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子核物理学原子核物理学 固体固体液体液体气体气体等离子体等离子体增加原子增加原子( (核核) )运动速度的方运动速度的方法通常是提高法通常是提高物体的热运动物体的热运动速度。速度。当物体的温度当物体的温度足够高时

8、，物足够高时，物体呈等离子态。体呈等离子态。8.核聚变的利用核聚变的利用可控核聚变可控核聚变 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子核物理学原子核物理学 等离子体是由宏观上等离子体是由宏观上呈电中性的带电粒子呈电中性的带电粒子所组成。所组成。自然状态下的等离子自然状态下的等离子体是自由运动的。体是自由运动的。高温的等离子体必须高温的等离子体必须要约束较长的时间。要约束较长的时间。磁场可很好约束高温磁场可很好约束高温等离子体，使其沿磁等离子体，使其沿磁力线运动。力线运动。8.核聚变的利用核聚变的利用可控核聚变可控核聚变 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子核物理学原子核物理学 其实，利用轻核聚

9、变原理，人类早已实现了氘氚核聚其实，利用轻核聚变原理，人类早已实现了氘氚核聚变变-氢弹爆炸，但氢弹是不可控制的爆炸性核聚变，瞬间氢弹爆炸，但氢弹是不可控制的爆炸性核聚变，瞬间能量释放只能给人类带来灾难。如果能让核聚变反应按照能量释放只能给人类带来灾难。如果能让核聚变反应按照人们的需要，长期持续释放，才能使核聚变发电，实现核人们的需要，长期持续释放，才能使核聚变发电，实现核聚变能的和平利用。聚变能的和平利用。 8.核聚变的利用核聚变的利用可控核聚变可控核聚变 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子核物理学原子核物理学 在人工控制下的聚变称为受控聚变，释放受控聚变能量的装在人工控制下的聚变称为受控

10、聚变，释放受控聚变能量的装置，称为聚变反应堆或聚变堆。置，称为聚变反应堆或聚变堆。8.核聚变的利用核聚变的利用可控核聚变可控核聚变 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子核物理学原子核物理学 如果要实现核聚变发电，那么在核聚变反应堆中，如果要实现核聚变发电，那么在核聚变反应堆中， 第一步需要将作为反应体的氘第一步需要将作为反应体的氘-氚混合气体加热到等氚混合气体加热到等离子态，也就是温度足够高到使得电子能脱离原子核的束离子态，也就是温度足够高到使得电子能脱离原子核的束缚，让原子核能自由运动，这时才可能使裸露的原子核发缚，让原子核能自由运动，这时才可能使裸露的原子核发生直接接触，这就需要达到大约

11、生直接接触，这就需要达到大约10万摄氏度的高温。万摄氏度的高温。 第二步，由于所有原子核都带正电，按照第二步，由于所有原子核都带正电，按照同性相斥同性相斥原理，两个原子核要聚到一起，必须克服强大的静电斥力原理，两个原子核要聚到一起，必须克服强大的静电斥力。两个原子核之间靠得越近，静电产生的斥力就越。两个原子核之间靠得越近，静电产生的斥力就越 大，大，只有当它们之间互相接近的距离达到大约万亿分之三毫米只有当它们之间互相接近的距离达到大约万亿分之三毫米时，核力（强作用力）才会伸出强有力的手，把它们拉到时，核力（强作用力）才会伸出强有力的手，把它们拉到一起，从而放出巨大的能量。一起，从而放出巨大的能

12、量。 8.核聚变的利用核聚变的利用可控核聚变可控核聚变 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子核物理学原子核物理学 质量轻的原子核间静电斥力最小，也最容易发生聚变质量轻的原子核间静电斥力最小，也最容易发生聚变反应，所以核聚变物质一般选择氢的同位素氘和氚。氢是反应，所以核聚变物质一般选择氢的同位素氘和氚。氢是宇宙中最轻的元素，在自然界中存在的同位素有：宇宙中最轻的元素，在自然界中存在的同位素有： 氕、氕、氘氘 （重氢）、氚（超重氢）。在氢的同位素中，氘和氚（重氢）、氚（超重氢）。在氢的同位素中，氘和氚之间的聚变最容易，氘和氘之间的聚变就困难些，氕和氕之间的聚变最容易，氘和氘之间的聚变就困难些，氕

13、和氕之间的聚变就更困难了。因此人们在考虑聚变时，先考虑之间的聚变就更困难了。因此人们在考虑聚变时，先考虑氘、氚之间氘、氚之间 的聚变，后考虑氘、氘之间的聚变。重核元的聚变，后考虑氘、氘之间的聚变。重核元素如铁原子也能发生聚变反应，释放的能量也更多；但是素如铁原子也能发生聚变反应，释放的能量也更多；但是以人类目前的科技水平，尚不足满足其聚变条件。以人类目前的科技水平，尚不足满足其聚变条件。 8.核聚变的利用核聚变的利用可控核聚变可控核聚变 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子核物理学原子核物理学 为了克服带正电子原子核之间的斥力，原子核需要以极快为了克服带正电子原子核之间的斥力，原子核需要以极

14、快的速度运行，要使原子核达到这种运行状态，就需要继续的速度运行，要使原子核达到这种运行状态，就需要继续加温，直至上亿摄氏度，使得布朗运动达到一个疯狂的水加温，直至上亿摄氏度，使得布朗运动达到一个疯狂的水平，温度越高，原子核运动越快。以至于它们没有时间相平，温度越高，原子核运动越快。以至于它们没有时间相互躲避。然后就简单了，氚的原子核和氘的原子核以极大互躲避。然后就简单了，氚的原子核和氘的原子核以极大的速度，赤裸裸地发生碰撞，结合成的速度，赤裸裸地发生碰撞，结合成1个氦原子核，并放个氦原子核，并放出出1个中子和个中子和17。6兆电子伏特能量。兆电子伏特能量。 8.核聚变的利用核聚变的利用可控核聚

15、变可控核聚变 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子核物理学原子核物理学 反应堆经过一段时间运行，内部反应体已经不需要外反应堆经过一段时间运行，内部反应体已经不需要外来能源的加热，核聚变的温度足够使得原子核继续发生聚来能源的加热，核聚变的温度足够使得原子核继续发生聚变。这个过程只要将氦原子核和中子及时排除出反应堆，变。这个过程只要将氦原子核和中子及时排除出反应堆，并及时将新的氚和氘的混合气输入到反应堆内，核聚变就并及时将新的氚和氘的混合气输入到反应堆内，核聚变就能持续下去；核聚变产生的能量一小部分留在反应体内，能持续下去；核聚变产生的能量一小部分留在反应体内，维持链式反应，剩余大部分的能量可以

16、通过热维持链式反应，剩余大部分的能量可以通过热 交换装置交换装置输出到反应堆外，驱动汽轮机发电。这就和传统核电站类输出到反应堆外，驱动汽轮机发电。这就和传统核电站类似了。似了。 8.核聚变的利用核聚变的利用可控核聚变可控核聚变 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子核物理学原子核物理学 聚变反应聚变反应和裂变反应相比较，具有许多优越性和裂变反应相比较，具有许多优越性。1、轻核聚变产能效率高、轻核聚变产能效率高1千克氘全部聚变释放的能量相当千克氘全部聚变释放的能量相当11000吨煤炭。吨煤炭。 3、轻核聚变更为安全、清洁、轻核聚变更为安全、清洁8.核聚变的利用核聚变的利用可控核聚变可控核聚变2、

17、地球上聚变燃料的储量丰富、地球上聚变燃料的储量丰富 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子核物理学原子核物理学 氘在海水中大量存在。海水中大约每氘在海水中大量存在。海水中大约每600个氢原子中个氢原子中就有一个氘原子，海水中氘的总量约就有一个氘原子，海水中氘的总量约45万亿吨。按目前世万亿吨。按目前世界消耗的能量计算，海水中氘的聚变能可用几百亿年。地界消耗的能量计算，海水中氘的聚变能可用几百亿年。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出的全部核裂变能的1000万倍，因此，核聚变能是一种万倍，因此，核聚变能是一种取

18、之不尽用之不竭的新能源。取之不尽用之不竭的新能源。l 1升海水升海水 = 340升汽油升汽油l 1克氘氚克氘氚 = 8 吨吨 汽油汽油l 地球表面海水含氚地球表面海水含氚1018吨吨8.核聚变的利用核聚变的利用可控核聚变可控核聚变2、地球上聚变燃料的储量丰富、地球上聚变燃料的储量丰富 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子核物理学原子核物理学 3、轻核聚变更为安全、清洁、轻核聚变更为安全、清洁 高温不能维持反应就能自动终止，聚变产生的氦是高温不能维持反应就能自动终止，聚变产生的氦是没有放射性的。废物主要是泄露的氚，高速中子、质子与没有放射性的。废物主要是泄露的氚，高速中子、质子与其他物质反应生

19、成的放射性物质，比裂变反应堆生成的废其他物质反应生成的放射性物质，比裂变反应堆生成的废物数量少，容易处理物数量少，容易处理,同时受控核聚变反应可在稀薄的气同时受控核聚变反应可在稀薄的气体中持续地稳定进行，所以是安全的。体中持续地稳定进行，所以是安全的。8.核聚变的利用核聚变的利用可控核聚变可控核聚变 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子核物理学原子核物理学 现在的技术还不能很好的控制聚变反应，问现在的技术还不能很好的控制聚变反应，问题有：题有：、热核反应的的点火温度很高；、热核反应的的点火温度很高； 、如何约束聚变所需的燃料；、如何约束聚变所需的燃料； 8.核聚变的利用核聚变的利用可控核聚变

20、可控核聚变 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子核物理学原子核物理学 重力约束； 惯性约束； 磁约束磁约束；8.核聚变的利用核聚变的利用可控核聚变可控核聚变 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子核物理学原子核物理学 24宇宙中主要能源由核宇宙中主要能源由核聚变提供聚变提供,太阳发生的太阳发生的是轻核聚变反应是轻核聚变反应.太阳能：重力约束聚变太阳能：重力约束聚变 CNPeNOONpNCpeCNNCp121515151514141313131312贝蒂循环贝蒂循环（1938年年) 4个质子的聚变过程中每个质子贡献个质子的聚变过程中每个质子贡献6.7MeV,比裂变时每个比裂变时每个质子的贡献大

21、八倍质子的贡献大八倍,比化学能大一亿倍比化学能大一亿倍.太阳释放的能量相当于太阳释放的能量相当于每秒种爆炸每秒种爆炸900亿枚百万吨级的氢弹亿枚百万吨级的氢弹.天文研究表明天文研究表明,按太阳总按太阳总质量的质量的75%为氢计算为氢计算,其热核反应可维持其热核反应可维持750亿年亿年.8.核聚变的利用核聚变的利用可控核聚变可控核聚变 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子核物理学原子核物理学 惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体，装入直径约几毫米的小球内。从外面均匀射入激光束体，装入直径约几毫米的小球内。从外面均匀射入激光束或粒子束，球

22、面因吸收能量而向外蒸发，受它的反作用，或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸发，受它的反作用，球面内层向内挤压（反作用力是一种惯性力，靠它使气体球面内层向内挤压（反作用力是一种惯性力，靠它使气体约束，所以称为惯性约束），就像喷气飞机气体往后喷而约束，所以称为惯性约束），就像喷气飞机气体往后喷而推动飞机前飞一样，小球内气体受挤压而压力升高，并伴推动飞机前飞一样，小球内气体受挤压而压力升高，并伴随着温度的急剧升高。当温度达到所需要的点火温度（大随着温度的急剧升高。当温度达到所需要的点火温度（大概需要几十亿度）时，小球内气体便发生爆炸，并产生大概需要几十亿度）时，小球内气体便发生爆炸，并产生大量热能。这种

23、爆炸过程时间很短，只有几个皮秒（量热能。这种爆炸过程时间很短，只有几个皮秒（1皮等皮等于于1万亿分之一）。如每秒钟发生三四次这样的爆炸并且万亿分之一）。如每秒钟发生三四次这样的爆炸并且连续不断地进行下去，所释放出的能量就相当于百万千瓦连续不断地进行下去，所释放出的能量就相当于百万千瓦级的发电站。级的发电站。 惯性约束法惯性约束法8.核聚变的利用核聚变的利用可控核聚变可控核聚变 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子核物理学原子核物理学 26氢弹：氢弹：惯性约束聚变惯性约束聚变 轻核聚变反应中轻核聚变反应中,氘氘(d)与氚与氚(T)的反应截面的反应截面最大而释放能量最多：最大而释放能量最多： M

24、eVnTd58.17 氘化锂氘化锂()可作为氢弹的原料可作为氢弹的原料 HLi26氢弹的原氢弹的原理：引爆普通炸药引发裂变反应理：引爆普通炸药引发裂变反应, 产生高温高压同产生高温高压同时放出大量中子时放出大量中子,中子与反应产生氚，发生中子与反应产生氚，发生d+T聚变反应聚变反应. Li6典型氢弹典型氢弹（裂变弹）（裂变弹）的能量的能量爆震和冲爆震和冲击波击波(50%)热辐射热辐射(35%)欲使这两部分能量相对减少欲使这两部分能量相对减少,就要增加产生就要增加产生的中子数量的中子数量,使聚变的贡献大于裂变贡献使聚变的贡献大于裂变贡献,这这使人们进一步研究中子弹使人们进一步研究中子弹.但纯聚变

25、弹至今但纯聚变弹至今仍实现不了仍实现不了.氢弹的本质是利用惯性力约束高温等离子体氢弹的本质是利用惯性力约束高温等离子体(动力性约束动力性约束). 人工约束较为成功的是激光惯性约束人工约束较为成功的是激光惯性约束,此外还有电子束、重离子束的惯此外还有电子束、重离子束的惯性约束方案性约束方案,但这些人工惯性约束目前还仅限于理论但这些人工惯性约束目前还仅限于理论,实践上还未获成功实践上还未获成功.可控核聚变最有希望的是磁约束可控核聚变最有希望的是磁约束.8.核聚变的利用核聚变的利用可控核聚变可控核聚变 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子核物理学原子核物理学 271952年年11月月1日，世界的第

26、一颗氢弹在太平洋的埃尼托威克环礁上方引爆，震撼了天际。这日，世界的第一颗氢弹在太平洋的埃尼托威克环礁上方引爆，震撼了天际。这场美国的试爆行动代场美国的试爆行动代號號艾薇麦克，把附近岛屿的植被全部连根拔起、造成了一个直径超艾薇麦克，把附近岛屿的植被全部连根拔起、造成了一个直径超过一英里的坑，过一英里的坑，並並把大块大块受到放射线污染的珊瑚炸到把大块大块受到放射线污染的珊瑚炸到50公里以外的地方。公里以外的地方。 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子核物理学原子核物理学 281967.6.17，中国第，中国第一颗氢弹在西部地区一颗氢弹在西部地区上空试爆成功。上空试爆成功。（距中国第一颗原子（距中

27、国第一颗原子弹试爆成功不到弹试爆成功不到3年）年）8.核聚变的利用核聚变的利用可控核聚变可控核聚变 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子核物理学原子核物理学 磁约束托卡马克 磁场可以约束带电粒子磁容器可盛装和约束高温等离子体8.核聚变的利用核聚变的利用可控核聚变可控核聚变 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子核物理学原子核物理学 构成托卡马克环形磁容构成托卡马克环形磁容器的三个基本磁场：器的三个基本磁场： 纵向磁场； 极向磁场 等离子体电流磁场等离子体电流极向场线圈纵场线圈(托卡马克） 是一种环形磁容器8.核聚变的利用核聚变的利用可控核聚变可控核聚变 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子

28、核物理学原子核物理学 通常用通常用“聚变三乘积和增益聚变三乘积和增益Q值值”来衡量等离子体的品质参数。来衡量等离子体的品质参数。能量得失相当，要求等离子体密度能量得失相当，要求等离子体密度n与等离与等离子体能量约束时间的乘积子体能量约束时间的乘积 nE E的最小值约为的最小值约为0.61020m-3s，即满足聚变反应物理可行性的最低要求。即满足聚变反应物理可行性的最低要求。若若QDT=1，则要求，则要求n T 乘积达到乘积达到 21021 m-3s keV 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子核物理学原子核物理学 聚变等离子体持续燃聚变等离子体持续燃烧需要有足够的高温烧需要有足够的高温、高密

29、和长时间的约、高密和长时间的约束，即满足所谓劳逊束，即满足所谓劳逊判据。判据。 考虑轫致辐射损失后考虑轫致辐射损失后的劳逊判据要求的劳逊判据要求nT E大于大于3 1021 m-3 keVs。 对于大型托卡马克装对于大型托卡马克装置温度置温度T=10 keV，离，离子密度子密度1 1020 m-3，得，得到能量约束时间要达到能量约束时间要达3s以上。以上。 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子核物理学原子核物理学 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子核物理学原子核物理学 ITERITER 的计划开始于19841984年（苏联、美、日、欧盟） 19981998年完成第一轮工程设计（建造费10

30、0亿美元）； 20002000年完成第二轮工程设计（建造费5050亿美元）并宣布了新的参加规则.俄、美、日、欧盟,中,韩国,印度 宣布参加 0505年6月28日在莫斯科会议上正式宣布将建在法国的CadaracheCadarache 提交各国议会讨论通过后， 06年11月21日签署合作协议 0707年总部成立，年总部成立，ITER ITER 项目项目 正式开始建造正式开始建造ITER 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子核物理学原子核物理学 EAST与与ITER ITER 计参划的七方计参划的七方8.核聚变的利用核聚变的利用可控核聚变可控核聚变 物理学物理学前沿前沿第四章第四章 原子核物理学原子核物理学 ITERITER的典型参数的典型参数尺寸：尺寸：24 m （高）（高）30 m（直径）（直径）大半径：大半径：6.2 m小半径：小半径：2 m磁场：磁场： 5.3 T等离子体体积：等离子体体积：850 m3放电持续时间：放电持续时间：300