胡浪 殷業(yè) 張偉

摘 要 核聚變發(fā)電是一種利用原子核聚變反應(yīng)產(chǎn)生熱能，然后利用熱能發(fā)電的技術(shù)。提供一種無(wú)限的、清潔的、安全地利用核聚變發(fā)電的新方法及系統(tǒng)模型，并對(duì)大學(xué)物理教學(xué)中引入可控核聚變模型的意義進(jìn)行分析，認(rèn)為其有利于大學(xué)生對(duì)核聚變知識(shí)的掌握以及培養(yǎng)他們的創(chuàng)新創(chuàng)造能力。

關(guān)鍵詞 核聚變；發(fā)電系統(tǒng)；物理教學(xué)

中圖分類號(hào)：TM613 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2018）06-0033-03

New Method and System Model for using Nuclear Fusion to Ge-nerate Electricity//HU Lang， YIN Ye， ZHANG Wei

Abstract Using nuclear fusion to generate electricity is a technology

that uses nuclear fusion to produce thermal energy and then uses ther-

mal energy to generate electricity. This paper provides a new method

and system model for unlimited， clean， safe use of nuclear fusion to

generate electricity and analyzes the significance of introducing con-

trollable nuclear fusion model in college physics teaching. It is be-lieved that it is conducive to students knowledge of nuclear fusion and their innovation and creativity.

Key words nuclear fusion； power generation system； physics tea-ching

1 引言

隨著工業(yè)和現(xiàn)代社會(huì)的不斷發(fā)展，人類文明對(duì)于能源的需求日益增加。然而現(xiàn)有的石油、煤炭等不可再生能源的儲(chǔ)量有限，很快將無(wú)法再滿足人類生存發(fā)展的需要。而新興能源中能產(chǎn)生巨大能量的核能可以作為人類未來(lái)的清潔能源。其中核聚變產(chǎn)生的能量較核裂變產(chǎn)生的能量更高，而且核原料的獲取也更加容易。人類還不能利用核聚變能進(jìn)行發(fā)電，唯一可利用的核能發(fā)電是裂變核能發(fā)電，并且都是利用核反應(yīng)堆的臨界狀態(tài)工作。在反應(yīng)堆的臨界工作狀態(tài)上工作是具有一定危險(xiǎn)性的，如何安全、高效、持續(xù)地利用核聚變的能量，成為人類目前亟待解決的問題[1]。

目前，由于核聚變的巨大破壞性，在大學(xué)物理教學(xué)中對(duì)于核聚變的研究都僅處于理論研究階段，還不能進(jìn)行實(shí)踐探索；學(xué)生對(duì)于核聚變的理解以及核聚變產(chǎn)生的能量的應(yīng)用，都處于被認(rèn)知階段。因此，建立核聚變的系統(tǒng)模型是非常重要的，不僅有利于學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容本身的掌握，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和能源意識(shí)[2]。

本文將著重介紹利用核聚變發(fā)電的新方法以及其系統(tǒng)模型，并闡述其對(duì)大學(xué)物理核研究教學(xué)具有重要意義。

2 核聚變發(fā)電系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)

采用聚變靶和激光點(diǎn)火實(shí)現(xiàn)核聚變，向聚變靶的玻璃管端部輸入激光，利用激光沖擊點(diǎn)火技術(shù)使氘丸發(fā)生聚變，每次氘丸的爆炸當(dāng)量對(duì)核反應(yīng)井是安全的；在這種不破壞反應(yīng)井的情況下，通過每一次的微型核爆炸，使反應(yīng)井中水位提升并流入外部的環(huán)形水庫(kù)中；環(huán)形水庫(kù)底部設(shè)有發(fā)電裝置，利用環(huán)形水庫(kù)底部與海平面水位的高程差進(jìn)行發(fā)電。本方法提供了一種無(wú)限的、清潔的、安全的利用核聚變的新能源發(fā)電系統(tǒng)。這種利用核聚變發(fā)電方法，其特征在于包括以下步驟：

1）建立底部設(shè)有核聚變發(fā)生裝置的核反應(yīng)井，以及沿著所述反應(yīng)井設(shè)立環(huán)形水庫(kù)，在所述環(huán)形水庫(kù)底部設(shè)置發(fā)電裝置；

2）啟動(dòng)所述核聚變發(fā)生裝置，使用激光點(diǎn)火產(chǎn)生核聚變反應(yīng)，利用核聚變釋放出的能量，將核反應(yīng)井中的水推入所述環(huán)形水庫(kù)中；

3）開啟所述發(fā)電裝置，將環(huán)形水庫(kù)中的水經(jīng)發(fā)電裝置流向海面，用水的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電。

核聚變發(fā)生裝置包括微核爆激光導(dǎo)引玻璃管，以及放置于所述微核爆激光導(dǎo)引玻璃管中的氘丸。核聚變發(fā)生裝置中對(duì)稱設(shè)置于核反應(yīng)井底部設(shè)置有激光發(fā)生器的高能激光房間，所述高能激光房間之間通過微核爆激光導(dǎo)引玻璃管連接；微核爆激光導(dǎo)引玻璃管中放置有氘丸，氘丸主要由激光聚變靶用空心玻璃微球以及氘氣組成；所述氘氣被充入所述空心玻璃微球中，設(shè)于高能激光房間內(nèi)的激光發(fā)生器發(fā)射的激光沿著微核爆激光導(dǎo)引玻璃管照射到氘丸上；利用激光聚變沖擊點(diǎn)火技術(shù)使氘丸發(fā)生聚變，促使氘丸產(chǎn)生聚變能量。

核反應(yīng)井側(cè)壁設(shè)置有用于控制核反應(yīng)井內(nèi)水位的水

閥；環(huán)形水庫(kù)通過底部的支撐柱支撐，使得環(huán)形水庫(kù)底部高于周圍水平面；環(huán)形水庫(kù)底部與所述發(fā)電裝置之間用導(dǎo)流管連接，發(fā)電裝置位于所述導(dǎo)流管下方。環(huán)形水庫(kù)底部與核反應(yīng)井頂部等高，且環(huán)形水庫(kù)的內(nèi)環(huán)側(cè)壁在核反應(yīng)井井口上方形成八字形噴口。

核聚變發(fā)電系統(tǒng)剖視圖如圖1所示。核聚變發(fā)電系統(tǒng)微核爆激光導(dǎo)引玻璃管星型連接結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。圖1、圖2標(biāo)記說(shuō)明：1—核反應(yīng)井、11—氘丸、12—激光發(fā)生器、13—微核爆激光導(dǎo)引玻璃管、14—水閥、15—高能激光房間、2—環(huán)形水庫(kù)、21—支撐柱、22—發(fā)電裝置、23—導(dǎo)流管。

3 具體實(shí)施方式

圖1表示本發(fā)明優(yōu)選的一個(gè)實(shí)施方式所涉及的利用核聚變發(fā)電的系統(tǒng)的剖視結(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)主要包括核反應(yīng)井1以及沿著核反應(yīng)井1設(shè)立的環(huán)形水庫(kù)2。作為優(yōu)選的，選址的位置是大海，在海里選水位比較合適的位置，用水泥建立一個(gè)核反應(yīng)井1，以及沿著核反應(yīng)井1設(shè)立的環(huán)形水庫(kù)2。其中核反應(yīng)井1底部還設(shè)置有核聚變發(fā)生裝置，核聚變發(fā)生裝置包括對(duì)稱設(shè)置于核反應(yīng)井底部的設(shè)置有激光發(fā)生器12的高能激光房間15，所述高能激光房間之間通過微核爆激光導(dǎo)引玻璃管13連接，所述微核爆激光導(dǎo)引玻璃管中放置有氘丸11，所述氘丸主要由激光聚變靶用空心玻璃微球以及氘氣組成，所述氘氣被充入所述空心玻璃微球中，設(shè)于高能激光房間內(nèi)的激光發(fā)生器發(fā)射的激光沿著微核爆激光導(dǎo)引玻璃管照射到氘丸上。此外，環(huán)形水庫(kù)的底部還設(shè)置有發(fā)電裝置。

作為另一種方案，所述核聚變發(fā)生裝置包括多個(gè)呈星型結(jié)構(gòu)分布的高能激光房間，星型中心與各高能激光房間之間通過微核爆激光導(dǎo)引玻璃管連接，在星型中心處放置所述氘丸，有利于氘丸表面全部被激光發(fā)生器發(fā)出的激光束所覆蓋，從而確保氘丸表面各部分受到均勻照射。圖2所示為核聚變發(fā)生裝置的微核爆激光導(dǎo)引玻璃管星型連接結(jié)構(gòu)示意圖。

4 系統(tǒng)安全與環(huán)境影響

比起核裂變，氫核聚變反應(yīng)程式只產(chǎn)生中子輻射，這種輻射危害比鈾等核燃料反應(yīng)釋放出的輻射危害要小得多，如果人類以后能實(shí)現(xiàn)氦3核聚變的話，則完全不會(huì)產(chǎn)生任何有害輻射。因此，即便發(fā)生核泄漏，也不會(huì)產(chǎn)生危害，非常安全。核裂變的反應(yīng)是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，即先裂變產(chǎn)生的中子導(dǎo)致后續(xù)燃料繼續(xù)發(fā)生裂變；而中子數(shù)量總是過多的，為了不讓裂變反應(yīng)過于強(qiáng)烈而失控，反應(yīng)堆需要利用“碳棒”來(lái)吸收中子；而一旦“碳棒”裝置出現(xiàn)故障或者熔毀，裂變反應(yīng)很容易失控并發(fā)生災(zāi)難性爆炸。

聚變反應(yīng)不產(chǎn)生核廢料，氫（氘、氚）聚變產(chǎn)物為氦4，氦4普遍存在于空氣中，無(wú)任何害處，不需要花巨資處理核廢料。而裂變產(chǎn)生的核廢料有著極高的放射性，暴露在自然環(huán)境中，會(huì)對(duì)周圍生命產(chǎn)生毀滅性后果[3]。

5 核聚變發(fā)電系統(tǒng)模型對(duì)大學(xué)物理教學(xué)的意義

核聚變的引入可以將多個(gè)知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)，使學(xué)生更好地掌握相關(guān)概念，如愛因斯坦質(zhì)能方程、激光、粒子束、動(dòng)量守恒等。以前的核研究中大多單純地介紹核反應(yīng)知識(shí)，沒有比較理想的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，這樣學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中容易機(jī)械地理解概念，孤立地看待相關(guān)現(xiàn)象。

學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理，不僅學(xué)習(xí)物理的基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)要了解科技前沿發(fā)展，拓寬知識(shí)面，開闊科技視野。核聚變發(fā)電方法綜合了多項(xiàng)理論和技術(shù)，是一個(gè)感受、學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法的良好范例，也是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，在研究過程中涉及科學(xué)和技術(shù)的結(jié)合、理論和實(shí)驗(yàn)的結(jié)合，是不可多得的研習(xí)科學(xué)研究方法的對(duì)象。這些科研方法、思路的熏陶，對(duì)學(xué)生未來(lái)從事科學(xué)、工程研究工作提供了很好的借鑒，有利于學(xué)生創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)。

6 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，核聚變理論及應(yīng)用是重要的前沿科技研究課題，尤其是利用核聚變發(fā)電技術(shù)更是當(dāng)前世界各國(guó)大力發(fā)展投資的重要技術(shù)，核能源也是最具前景和應(yīng)用價(jià)值的未來(lái)能源。本文提出的新方法是利用激光技術(shù)和激光聚變靶用空心玻璃微球?qū)崿F(xiàn)核聚變，減少核裂變帶來(lái)的污染以及危險(xiǎn)，以及使用化石能源對(duì)環(huán)境造成的污染，提供一種無(wú)限的、清潔的、安全的新能源核聚變發(fā)電裝置模型。并且該模型是對(duì)當(dāng)代大學(xué)物理核研究教學(xué)中實(shí)踐探索環(huán)節(jié)的有效補(bǔ)充，有利于學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容本身的掌握，以及培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和能源意識(shí)。

參考文獻(xiàn)

[1]吳宜燦，汪衛(wèi)華，劉松林，等.聚變發(fā)電反應(yīng)堆概念設(shè)計(jì)研究[J].核科學(xué)與工程，2005，25（1）：76-85.

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