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建立ITER核聚变反应堆工厂的建议地点——法国卡达拉什
美国、俄罗斯、欧洲和日本经过协商,建议在法国卡达拉什建立一座名为国际热核试验堆(ITER)的核聚变反应堆,旨在研究通过持续核聚变反应来发电的可行性。在本文中,我们将介绍关于核聚变的知识,并了解ITER反应堆的工作方式。
核聚变物理学:反应
核聚变的能量是通过两个原子合并为一个原子而产生的。在核聚变反应堆中,氢原子发生聚变,进而形成氦原子、中子,并释放巨大的能量。氢弹和太阳的能量就是靠这种反应提供的。与核裂变相比,核聚变所产生的能量更加清洁、安全、高效,其能量来源也更为丰富。目前的核反应堆利用核裂变来产生能量。在核裂变中,能量是通过一个原子分裂为两个原子来释放的。在传统的核反应堆中,铀的重原子在高能中子的轰击下发生裂变,这会生成巨大的能量,同时产生长期的辐射和放射性废物(详见核电站工作原理)。
核聚变反应分为多种类型。其中大多数都涉及氢的同位素氘和氚:
质子-质子链——这一序列是太阳等恒星中最主要的核聚变反应模式。
两对中子形成两个氘原子。
每个氘原子与一个质子结合,生成一个氦3原子。
两个氦3原子结合,生成不稳定的铍6。
铍6衰变为两个氦4原子。
这些反应会生成高能粒子(质子、电子、中子、正电子),并放出辐射(光线、伽马射线)。
氘-氘反应——两个氘原子结合,生成一个氦3原子和一个中子。
氘-氚反应——一个氘原子和一个氚原子结合,生成一个氦4原子和一个中子。其中大部分能量以高能中子的形式释放。
从概念上讲,利用反应堆中的核聚变十分容易。但为了让这一反应以可控、无害的方式进行,科学家们历经周折。为了了解其中的缘由,我们需要先看一下发生核聚变的必要条件。
同位素
同位素是指质子数和电子数相同,但中子数不同的同一类元素的原子。下面是核聚变中一些常见的同位素:
氕是带一个质子而没有中子的氢同位素。它是氢的最常见的一种形式,也是宇宙中最普遍的元素。
氘是带一个质子和一个中子的氢同位素。它不具有放射性,可从海水中提取。
氚是带一个质子和两个中子的氢同位素。氚具有放射性,半衰期约为10年。氚不会自然形成,但用中子轰击锂可产生氚。
氦3是带有两个质子和一个中子的氢同位素。
氦4是氦在自然界中最为普遍的一种形式,它带有两个质子和两个中子。
发生核聚变的条件
当氢原子聚合时,它们的原子核必须结合在一起。然而,由于每个原子核中的质子都带有相同的电荷(正电),因而会互相排斥。如果您曾试着将两块磁铁放在一起并感到它们互相推开,则意味着您已亲身体验了这一原理。
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