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受控核聚变

核聚变的发现,首先应当归功于人们对太阳光的研究。1868年法国天文学家詹森和英国天文学家罗克耶在太阳的光谱中发现了一种当时认为在地球上不存在的物质“氦”,意思是“太阳”。

27年后英国化学家在地球上发现了氦。若干年之后,人们才知道氦是太阳“燃烧的产物”。

1905年,爱因斯坦提出狭义相对论。其中对质量和能量的关系作出这样的表示:E= MC2。

质谱仪的发明者英国科学家阿斯顿在本世纪20年代进行的研究表明,中等大小的原子核结合得最紧密,周期表两端的原子核变成中等大小的原子核时,会放出能量。小的原子核变成中等大小的原子核,这个过程叫作核聚变。在这个过程中,有质量亏损现象。根据爱因斯坦公式,亏损的质量(△m)要转变为能量(△E),即△E=△mc2。

1938年美国物理学家贝特和德国天文学家魏扎克证明了靠氢的聚变来维持太阳能量是完全不成问题的。氢聚变的产物便是氦。

要使氢产生核聚变还需要使氢核有极高的密度和温度,这样的条件在太阳上是具备的。太阳巨大的质量能够产生强大的引力场,能把自己的中心压缩到极高的密度和温度,从而“点燃”聚变反应。

地球的质量只有太阳的三十三万分之一,它没有太阳那么大的引力,而且地球与太阳的化学成分也很不相同,因此地球上实现核聚变点火温度必须比太阳高出许多倍。费米曾经作过计算,在地球条件下氚与氘聚变点火温度必须达到五千万度,氘点火温度则高达四亿度。而实现氢的聚变,物理学家们认为温度要高达10亿度以上,而在太阳上只需1.5千万度。

地球上的核聚变反应首先是用粒子加速器实现的。1933年,用加速器在实验室首次观察到氘的核聚变。

要使两个氘核发生聚变反应,必须使它们接近到10-13厘米之内,这时核力才能将它们“粘合”成新的原子核。由于原子核之间的库伦斥力,两个氘核的相对速度必须大于每秒1000公里。这时氘已经电离,形成高温等离子体。

虽然1952年美国用原子弹引发了核聚变反应,制成了氢弹,但是这一核聚变是不能控制的。从50年代开始,不少国家开始研究受控核聚变反应。苏联的坦姆和萨哈罗夫首先提出了托卡马克装置(一种主体由真空系统和电磁系统组成,并配有相应的控制系统和测量诊断系统的受控聚变装置)的基本思想。第一个托卡马克装置TMP于1956年开始运行。1969年,苏联使用托卡马克-3号装置将密度相当于空气的百万分之一的氘在几千万度的高温下保持了百分之一秒。

1986年7月美国普林斯顿巨大的托卡马克核聚变反应堆产生了2亿摄氏度的反应温度,这是创记录的高温,等于太阳中心温度的10倍。它使建造稳态的核聚变反应堆成为可能,是向开发核聚变能源前进的一个重要里程碑。

1988年底,苏联的托卡马克- 15号启动,其等离子温度为1亿摄氏度,密度足够保持热核聚变反应的稳定性。这个热核装置正在向着实用的反应堆迈进。与此同时,欧洲联合环型装置(经过改良的托卡马克型)已经达到1.5亿摄氏度。

由欧洲14个国家的科学工作者组成的研究小组宣布:该小组1991年11月9日在世界上首次成功地运用氘和氚实现核聚变,在一秒钟内产生了超过100万瓦特的电能。实验是在位于英国南部的世界规模最大的核聚变实验设施内进行的,科学家在高压真空容器内放入0.2克的氘和1.2克氚,并将其加热到摄氏3亿度。参加这次实验的研究小组表示:核聚变的利用真正到实用阶段还需要花费50年时间。

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