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,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第十九章 原子核,核聚变,人民教育,出版社,高二,|,选修,3-5,第十九章 原子核 核聚变 人民教育出版社 高二|选修,人民教育,出版社,高二,|,选修,3-5,1896,年，贝克勒尔发现天然放射性，这是人们第一次观察到的核变化。,1915,年,Albert Einstein,由广义相对论导出质能方程,1933,年，核聚变原理被提出,1939,年，美国物理学家贝特通过粒子加速碰撞实验证实氘氚原子聚变，在这个过程中释放出了,17.6,兆电子伏的能量。这就是太阳持续,45,亿年发光发热的原理。,历史背景,人民教育出版社 高二|选修3-5 1896年，贝克勒尔发现,人民教育,出版社,高二,|,选修,3-5,聚变,某些原子核能够结合在一起，生成一个较大的原子核，这种核反应叫做,聚变,。,人民教育出版社 高二|选修3-5 聚变某些原子核能够结合在,人民教育,出版社,高二,|,选修,3-5,氘核的质量：,m,D,2.014102u,氚核的质量：,m,T,3.016050u,氦核的质量：,m,4.002603u,中子的质量：,m,n,=1.008665u,平均每个核子放出的能量在,3MeV,以上，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大,34,倍。,人民教育出版社 高二|选修3-5 氘核的质量：mD2.0,人民教育,出版社,高二,|,选修,3-5,氘氚聚变是”第一代”聚变。,“第二代”聚变是氘和氦,3,反应。,“第三代”聚变是让氦,3,跟氦,3,反应。这个反应堪称终极聚变。,中子数逐渐减少,人民教育出版社 高二|选修3-5 氘氚聚变是”第一代”聚变,人民教育,出版社,高二,|,选修,3-5,核能,重核裂变,重核分裂成两个或多个中等质量的辈子核放出核能,铀,235,只在铀矿石中占,0.7%,可控。核电站利得重核裂变的原理发电,铀裂变后的废物难以处理,轻核聚变,两个轻核结合成质量较大的原子核放出的核能,比裂变平均每个核子放出的能量大约要大,34,倍,核废料处理要比裂变反应简单。主要是泄露的氘,1L,海水中就大约含有,0.03g,氘,目前不为人为控制，氢弹,人民教育出版社 高二|选修3-5 核能重核裂变重核分裂成两,人民教育,出版社,高二,|,选修,3-5,聚变的条件,要使轻核发生聚变，就要使原子核接近到核力发生作用的距离,10,-15,m,，但原子核带正电，有很强的库仑斥力。,实现的方法有,:,用加速器加速原子核；,把原子核加热到很高的温度；,10,8,10,9,K,不经济,聚变反应又叫热核反应,人民教育出版社 高二|选修3-5 聚变的条件要使轻核发生聚,人民教育,出版社,高二,|,选修,3-5,核聚变的利用,氢弹,弹体,引爆装置,小型原子弹,三种炸药：,普通炸药,235,氘、氚,爆炸,裂变,聚变,氘、氚、重氢化钾等,铀,235,外壳,普通炸药,人民教育出版社 高二|选修3-5 核聚变的利用氢弹弹体,人民教育,出版社,高二,|,选修,3-5,受控热核反应,核聚变的利用,热核反应的的点火温度很高；,2.,如何约束聚变所需的燃料；,问题有：,现在的技术还不能控制热核反应。,人们在实验室里研究核聚变反应主要采用,磁约束,和,惯性约束,两种方法,人民教育出版社 高二|选修3-5 受控热核反应核聚变的,人民教育,出版社,高二,|,选修,3-5,惯性约束,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，靠它使气体约束，所以称为惯性约束），小球内气体受挤压而压力和温度急剧升高。当温度达到所需要的点火温度时，小球内气体便发生爆炸，并产生大量热能。这种爆炸过程时间很短，只有几个皮秒（,1,皮等于,1,万亿分之一）。,人民教育出版社 高二|选修3-5 惯性约束 惯性约束,人民教育,出版社,高二,|,选修,3-5,磁场约束,带电粒子在磁场中沿螺线运动，回旋半径,R,与磁感应强度,B,成反比。在很强的磁场中，每个带电粒子的活动便被束缚在一根磁感线附近的很小范围内，只能沿磁感线做种纵向运动。在热核反应的高温下，物质处于等离子态，有带电粒子组成，而由于上述原因，强磁场可以使带电粒子的横向输运过程受限。,人民教育出版社 高二|选修3-5 磁场约束带电粒子在磁场中,人民教育,出版社,高二,|,选修,3-5,现有的可控核聚变约束手段主要有两种，一种是惯性约束（激光点火），一种是磁约束（托卡马克装置），前者的研究主要在美国的国家点火装置（,NIF,），后者主要在国际热核聚变实验反应堆（,ITER,），同时还包括中国的中国联合球形托卡马克装置（,SUNIST,）和先进超导托卡马克装置（,EAST,）。相比之下，磁约束手段似乎更具可行性，但由于其核心元件托卡马克装置技术上的不成熟，使包括,ITER,在内的实验项目受阻。,人民教育出版社 高二|选修3-5 现有的可控核聚变约束手段,人民教育,出版社,高二,|,选修,3-5,托卡马克装置（tokamak）,托卡马克的,核心,是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。,人民教育出版社 高二|选修3-5 托卡马克装置（tokam,人民教育,出版社,高二,|,选修,3-5,受控核聚变研究的发展,50s,：,建立了最初的小型磁约束装置,60s,：,建立了成功的托卡马克装置,70s,：,建立了中型尺寸的托卡马克,80s,：,建立了大型的托卡马克,90s,：,达到了聚变功率得失相当水平,2006,：,协议建造国际热核实验反应堆,ITER,人民教育出版社 高二|选修3-5 受控核聚变研究的发展50,人民教育,出版社,高二,|,选修,3-5,ITER,International Thermonuclear Experimental Reactor,目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一,ITER,计划将历时,35,年，其中建造阶段,10,年、运行和开发利用阶段,20,年、去活化阶段,5,年。,耗资50亿美元,主要成员：欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国,经过三年谈判，2006年5月24日，,中国加入ITER计划,ITER,计划是目前世界上仅次于国际空间站的又一个国际大科学工程计划。该计划将集成当今国际上受控磁约束核聚变的主要科学和技术成果，首次建造可实现大规模聚变反应的聚变实验堆，将研究解决大量技术难题，是人类受控核聚变研究走向实用的关键一步，因此备受各国政府与科技界的高度重视和支持,人民教育出版社 高二|选修3-5 ITER目前全球规模最大,人民教育,出版社,高二,|,选修,3-5,ITER,装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克。其装置中心是高温氘氚等离子体环，其中存在,15,兆安的等离子体电流，核聚变反应功率达,50,万千瓦,作为聚变能实验堆，,ITER,要把上亿度、由氘氚组成的高温等离子体约束在体积达,837,立方米的,磁笼,中，产生,50,万千瓦的聚变功率，持续时间达,500,秒,人民教育出版社 高二|选修3-5 ITER装置是一个能产生,人民教育,出版社,高二,|,选修,3-5,国内磁约束聚变发展状况,主要机构：中核集团西南物理研究院（SWIP）,中科院合肥等离子体物理研究所（ASIPP),中国科技大学,大连理工大学,华中科技大学,清华大学,人民教育出版社 高二|选修3-5 国内磁约束聚变发展状况主,人民教育,出版社,高二,|,选修,3-5,EAST,Experimental Advanced Superconducting Tokamak,人民教育出版社 高二|选修3-5 EAST,人民教育,出版社,高二,|,选修,3-5,1997,年 项目被中央科技领导小组批准,2000,年,10,月国家发展计划委员会批准项目正式开工建设,2006,年 工程调试和实验运行（总共三次）,2007,年,3,月,01,日：项目正式通过国家竣工验收,2012,年,4,月,19,日，我国新一代“人造太阳”实验装置（,EAST,）中性束注入系统（,NBI,）完成了氢离子束功率,3,兆瓦、脉冲宽度,500,毫秒的高能量离子束引出实验。本轮实验获得的束能量和功率创下国内纪录，并基本达到,EAST,项目设计目标。,人民教育出版社 高二|选修3-5 1997年 项目被中央科,人民教育,出版社,高二,|,选修,3-5,当今世界最先进的大型托卡马克,托卡马克名称,主建国家,小半径,/m,大半径,/m,等离子体中心环形场,/MA,运行时间,欧洲联合环形装置,欧共体,1.3,2.8,3.0,1983,托卡马克聚变试验堆,美国,0.85,2.5,2.5,1982,托卡马克,-60,日本,1.00,3.00,3.0,1985,托卡马克,-15,前苏联,0.7,2.40,1.4,1986,环流一号,中国乐山，西南物理研究所,0.2,1.02,0.4,1995,HT-613,合肥，等离子体物理所,0.125,0.45,0.3-0.4,已工作,人民教育出版社 高二|选修3-5 当今世界最先进的大型托卡,人民教育,出版社,高二,|,选修,3-5,人民教育出版社 高二|选修3-5,
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