核聚变与等离子体物理第一章0

1、绪论绪论1、能源需求（1Q=1.051021J） 公元1年到公元1850总消耗：7.4Q1850年到1950年由于工业革命，机器、工厂的出现，总消耗：9Q1950年到2000年总消耗：11Q2000年到2050年总消耗：将增到61Q2、聚变能的优点 （1）与化石能源相比，对空气没有污染 （2）与裂变能源相比，放射性污染轻得多，不可能产生大规模的不可控能量释放的超临界事故。 （3）与自然能源比较，效率高 裂变堆和聚变堆关闭后放射性的逐年变化3、聚变能的来源（1）化石燃料燃烧时放出化学反应能途经1途经2 2211 =392.7kJCOCOQQ 2221 =110.3kJ2COCOQQ22331 =

2、282.4kJ2COOCOQQ根据爱因斯坦的质能方程： 上述反应中一个碳原子和一个氧原子化合成一个二氧化碳分子产生的能量为： 22EmcEmc 或22219()6.52 10JcocoEmmmC 化学反应主要是原子核外电子之间的相互作用，能量差值很小。（2）聚变能核能：原子核反应中释放出的能量，包括裂 变能和聚变能原子核的结合能：表示自由核子组成原子核 所释放的能量2()pneBZmNmZmM CU23392Pt19573Kr8223He42Li63H21裂变反应：聚变反应：裂变时每个核子贡献的能量约0.85MeV在DT反应中每个核子贡献的能量约3.52MeV235U+nX+Y+2.5n+ +

3、 + +200MeV 42D+THe +n+17.6MeV（3）太阳里的聚变反应直径：1.4 109m，质量： 1.4 1030kg中心温度： 1.5 107k，中心压力：30万亿千帕表面温度：6000k 这些条件约束等离子体，发生聚变反应，地球直径比太阳小109倍，质量小33万倍，引力不足以束缚等离子体，不能发生太阳里的聚变反应。碳循环 12131313+131414151515+1512p+CN NC+e +p+CN+p+NO+ ON+e +p+NC+ppppe+e+42He12C13N13C14N15O15N总反应式：+4p+2e226.7MeV其中碳核只起中间反应物的作用质子质子循环+

4、333 p+pd+e + p+dHe+HeHe+2pppppppppdd3He3Hee+e+6个质子参加反应，产生一个粒子，两个质子，两个e+和两个，太阳中的主要聚变反应总反应式：+4p+2e226.7MeVu太阳中的聚变反应，质子-质子循环占96%。u平均每个质子贡献6.7MeV的能量，比235U裂变释放的能量大8倍，比化学能约大一亿倍。 u质子质子循环的速率非常缓慢，主要是由于在氘核形成的过程中必须经过+衰变，反应截面10-23靶，反应几率小，是一个弱过程。质子质子循环的周期为3109年。u根据太阳的质量可知，每秒钟由于聚变太阳有4.5106t的质量转变为能量，辐射出3.71026J的能量

5、。如果按太阳的年龄为46亿年计算，到现在太阳质量损失了万分之三。4、等离子体 （1）由离子、电子以及未电离的中性粒子的集合组成。 （2）整体呈中性的物质状态。 （3）广泛存在于宇宙中，占了整个宇宙的99。 （4）物质的第四态，即电离了的“气体”： 带电粒子的运动产生磁场； 电荷定向运动引起电流，产生磁场； 电场和磁场要影响其他带电粒子的运动，并伴随着极强的热辐射和热传导； 等离子体能被磁场约束作回旋运动等。 （5）分类 高温等离子体和低温等离子体 （6）应用广泛准中性准中性的空间尺度：空间尺度：Debye长度长度 （德拜半径） 在德拜长度处，电势已经下降到原来的1/e, 德拜长度可以看作静电作

6、用的屏蔽半径。 电离气体成为等离子体的一个判据就是：L LD 当所讨论的尺度大于德拜长度时，可以将等离子体看作是整体电中性的，反之，则是带有电荷的。 2120neKTeDDxexp0 实际上，正是长程的电磁作用决定了等离子体的“集体效应”。在通常的气体中，信息的传递是通过中性粒子的碰撞实现的，因此彼此只是影响到附近的粒子。而在等离子体中，带电粒子通过库仑力起作用，那么很远的粒子也能感受到力的存在，这样单个粒子的运动迅速转化为集体运动，也就是产生振荡或者波。集体效应集中体现在等离子体中丰富的振荡和波现象当中，也给全面认识等离子体增加了很大的困难。 5、聚变反应 热核聚变：核力是短程力，只有两个核

7、非常接近时才能发生聚合反应。这个过程中需要克服它们之间的库仑斥力。或者说必须克服它们之间的库仑位垒才能反应： 这只有在极高的温度下，原子核以极高的速度无规则的运动时才能实现。212max0 124Z Z eEr231kT=0.29MeV22mv 可以计算出等立体的温度必须达到3.364109K，高于太阳的中心温度。质子质子之间的库仑位垒约为0.29MeV，为了克服库仑位垒，要求等离子体的温度满足：在热平衡状态下，质子的速度分布遵从麦克斯韦方程：3 22( )()exp()2 kT2kTmmf vnv可持续的聚变反应：高温，高密度；一个核子在单位时间内与其它核子的碰撞次数：2(1)v(1)v 1

8、 vvdnnnvn当时，平均自由程，核子两次碰撞之间移动的距离单位时间内总的碰撞次数为：等离子体中核子速度服从麦克斯韦分布v1lvn21v2Nn21v2Nn可以利用的聚变反应主要有以下几种： 为了克服库仑位垒，对于DD反应需要能量0.40MeV，对于DT反应需要能量0.37MeV，只有在粒子加速器中才能实现。234223223234 D+ THe(3.52MeV)+n(14.06MeV) D+ DT(1.01MeV)+p(3.03MeV) D+ DHe(0.82MeV)+n(2.45MeV)D+ HeHe(3.67MeV)+p(14.67MeV)考虑到隧道效应，可得到截面的Gamow公式 聚变

9、所需要的能量大大降低，虽然这些反应可以在加速器中或用其它方法实现，但得到的能量是微不足道。2120( )exp()2M Z Z eCEEhE聚变反应温度系数随温度的变化截面与散射截面的比较反应截面温度燃料辐射D-D小高易得强D-T大低易得强D-3He小高难弱几种聚变反应的比较6、燃料来源 重水（D2O）中含有D，海水中氘和氢的比例为1：6000，可以算得，1gall海水所含的能量相当于300gall汽油，海水中可用能储量为51010Q。 自然界中没有氚，它主要来源于中子与锂的反应：6474Li+nHe+T+4.8MeVLi+nHe+T+n2.47MeV增值包层DT反应堆燃料流程7、实现聚变反应

10、的条件有聚变功率不等于可以实现用来作为能源的反应堆。1、点火条件假设只有粒子等带电粒子的能量被等离子体吸收，则单位时间、单位体积加热等离子体的能量：对于D-T反应 ，E =3.5MeV；n为离子密度，假设DT两种离子各占一半，单位体积内等离子体的热能为：214Pvn E33322ein kTnkTnkT 等离子体能量的约束时间是系统通过能量输运降低到环境温度的时间常数，表征了系统的绝热性能（随温度升高而降低）。 为弥补这一损失，保持等离子体处于聚变温度，须使粒子的功率大于这一数值，因而得到聚变反应被粒子能量维持的条件：当取T=30keV时：3PnkT2031.5 10s mn2、得失相当 聚变功率与加热功率之比：Q=1为零功率输出，又称为得失相当（breakeven）。对于D-T反应：214fHvn E VQP2030.4 10s mn3、Lawson判据 在Lawson模型中，考虑到聚变反应产生的所有能量经一定转换效率（一般为1/3）返回加热等离子体，并考虑到轫致辐射