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[技术] 冷融核转换方法

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发表于 2008-12-2 02:26:21 | 显示全部楼层

冷融核转换方法

未来展望-核融合发电
 
如要得到一相当大的反应速率时,则必须加温到 10Kev 以上,亦即相当于 109K的温度(1K 相当于 1.42×10焦耳;又 1ev=1.16×10K)。而在如此高的温度下,所有物质早就游离化了,此种游离化状态叫做电浆(plasma)或称为离子气体(ionized gas)。基本上电浆为离子之集合体,由于离子与离子之间有库伦电力的影响,故要详细分析相当困难,另一方面电浆亦具有流体的性质,故许多流体力学分析法均可以应用,于科学上即称其为磁流体动力学(Magneto-Hydrodynamics 简称MHD)。

 
融合过程
 
氢核即为质子。纵然在高温的太阳核心,因受强大的静电斥力的限制,质子–质子对撞而融合为氘(H)的机率非常的低,据估算每个质子融合的速率约为 5˙101/秒,是个非常缓慢的过程,但太阳核心有近 10个质子,故每秒仍有近 10个质子完成融合。 氢融合为氦的主要流程为H + H →H + e+ υ(微中子)H + H →He + γHe + He → He + 2 H。淨反应可写成4 H →He + 2 e++ 2 υ(微中子) + 能量。正电子(e)与一般电子相遇后,相互湮灭产生二个 X 射线,故氢历经质子–质子链的融合反应,可以简单的表示成4 H →He + 2 υ(微中子) + 能量而此处所产生的微中子属于电子家族,故又常称为电子微中子(electron neutrino),微中子为电中性,至于其静态质量为零或近乎零。
 
质量与能量等效氦的质量较四个单独的氢之质量小,由爱因斯坦的质–能公式告诉我们ΔE = Δm c c 为光在真空中的传递速率,也就是〝损失的质量转变成能量的释出〞。
4 个氢核的质量= m= 6.693*10kg 1 个氦核的质量= m= 6.645*10kg 在氢融合过程的质量损失=Δm = 0.048*10kg,相当于有近 0.72% 的质量损失。而一次氢核融合所释出的能量为 ΔE =Δm c= (0.048˙10kg)˙(3˙10m/sec)=0.43˙10J =1˙10卡一公克的氢约有 6˙10个氢核,每一次氢核融合用掉 4 个氢核产生 1˙10卡的能量, 所以 1 公克的氢在核融合过程中可产生(6.02˙10/4)(1˙10= 1.5 ˙10)卡 


 二、核融合与核***发电的差异
理论上,核能之产生循两种可能途径,其一为核***(fission),即重元(例如铀、钸)吸收中子***成为二质量约相等之***产物,并释出大量能量之反应。另一为核融合(fusion),即两轻元素融合产生新元素,并释放出大量能量之反应。
核融合技术目前仍无法商业化,故今日核子动力均源自核***,由核***产生之电力,目前约佔全世界总电力供应量之百分之十。核***之过程可分成数个阶段,首先中子撞击重原子核;中子被吸收而形成複核(compound nucleus);此複核并不稳定,而继续***成两个或以上之原子核,同时并放射出数个中子;这些中子又被其他原子核所吸收,如若具有足够之原子则可能发展形成链锁反应(chain reaction),此链锁反应即构成核子反应器(nuclear reactor)运转之基础。
 
核***发电
 
单一铀原子之***,约产生 200Mev(106ev)之能量,而一个碳原子之燃烧,仅产生4ev 能量。换句话说,1公吨铀进行核***,其所释放出之总能量约等于250 万公吨煤之燃烧热。天然铀(natural uranium)含有 99.3%之和 0.7%之较轻同位素,后者乃核子反应器中最常被利用之燃料。当反应器运转一段时日后,所佔之百分比会显着地下降,同时燃料亦受到***产物之污染,因而链锁反应无法继续维持,此时即须更新燃料。但是旧燃料仍含有用之及大量之和少量之钸元素,其均可再供其他型式反应器之使用。


 核子反应器之分类有多种方法,常用之分类法是依据
A.引发核***的中子之动能
B.反应器的目的
C.反应器核心的几何形状和组成
D.冷剂的型态
  如依据引发核***的中子动能之大小来分类反应器,则可分成三大类,即热反应器、级反应器和快速反应器。于快速反应器中,核***过程是由平均动能约为数十 mev 的快速中子所引发;在中级反应器中,核***过程是由平均动能约为0.11.0mev 的中子所引发,而热反应器的核***过程,则由平均动能约为0.1ev的中子所引发。
 
A.热反应器
 
此种型式之反应器包括有下列各种组件:
a.可***燃料:将***链锁反应维持其中
b.缓和剂:将***中子减慢至热能范围
c.冷剂:循环经过然料而带走***释出之热
d.控制器:例如中子吸收器,减少中子数目
e.可***燃料之稀释剂,通常用 238/92u
f.供支撑上述组件之结构材料
许多热反应器之冷剂通常亦同时充当缓和剂使用。


B.快速反应器此种型式之反应器包括有下列各种组件
a.可***燃料:通常使用 239/94pu 亦可使用
b.冷剂
c.控制器
d.燃料之稀释剂
e.支撑上述组件之结构材料
f.燃料渗有可孕材料:适用于转换用
实际上,目前运转中之核子动力反应器均使用铀-235做燃料,而以铀-238稀释之。反应器型式与设计之选择,通常取决于经济因素,并受国情影响,因此各国使用情形不甚相同。各国常用的反应器有
A.轻水式反应器-包括压水式反应器和沸水式反应器二种
B.重水式反应器
C.高温气冷式反应器
D.快速孳生式反应器
E.其它型式反应器等
a.轻水反应器
包括压水式反应器和沸水式反应器两种,世界上大部分反应器均属于此一类型
b.压水式反应器(Pressurized Water Reactor ,简称 PWR)
c.沸水式反应器(Boiling Water Reactor,简称 BWR)
d.重水式反应器(Heavy Water Reactor,简称 HWR)
e.高温气冷式反应器(High Temperature Gas Reactor,简称 HTGR)
f.快速孳生式反应器(Fast Breeder Reactor,简称 FBR)
g.其他型式反应器(gas-graphite reactor)
h.其他反应器,例如气体-石墨反应器採用天然铀为燃料,而冷剂为压之二氧化碳,并且以碳充当缓和剂使用。

核融合发电
 
核融合能的发展就是为了解决人类永久的能源问题。由于核融合所需要之反应物为氘与氚,氘可由海水中提炼,氚则由锂金属与中子反应产生。以目前地球上海水中所含的重氢(氘)若能全部以融合方式产生能源,则可供人类百万年之需求,可说是无限的。因此,虽然要达到核融合发电商业运转困难重重,仍有很长一段路要走,但世界各主要国家政府,仍不惜每年投入相当的研究经费和人力进行为核融合商业发电的研究和努力。
 
  目前核融合研究的两大瓶颈 : 一是电浆性质及其不稳定性,此领域属于电浆物理范筹,国外有许多大型研究设备建立在进行此方面之研究工作。另一个则是材料问题,由于 D-T 反应需将电浆加热至 10KeV 以上相当于 1 亿度的高温,没有任何材料可以容忍此种高温,因此电浆是以悬空的状态,用磁场来控制在圈圈饼形状之容器内(Tokamak)。虽然如此,其容器壁仍需承受因融合而产生之高能量中子束的撞击,以及因(n,α)反应所产生之氦原子和由氘所造成之氘原子存于材料中。三种效应均对材料性质产生严重的影响,而三种因素同时存在的效应则更必须研究清楚。

三、核融合发电之实用性与可行性
 
太阳能便是核融合反应所产生之能量,从我们对太阳能的需求便可知道:核融合是十分重要、强大、且极可能是人类未来赖以维生之能量来源想要利用核融合发电,最大的问题在于找到一种产生极高温度(比太阳中心温度还要更高)的方法,以及将如此高温的氢原子侷限在某一区域内的技术,如此氢原子就可如太阳内部一样融合成氦原子而放出能量了。由于核融合所产生的物质不具放射性,因此我们不会受到被放射性物质污染的危险,这是它有利之处。但是如果控制不当,核融合反应会产生类似氢弹的爆炸。如果未来人类有足够的科技,能安全地控制核融合时,我们将不会再有所谓的「能源危机」了!


多数融合专家曾尝试用磁场压缩氢气,压到能够让融合作用持续发生的热度,太阳能就是这样产生的。可是,要维续高密度的氢气团,比五十年前科学界开始融合试验时所想像的要困难得多。
连坚信此一理论可行的科学家都说,要达到商业发电的地步,恐怕还要再经过几十年的研究,也需要昂贵的反应炉。科学家把这种发电法比做「在炉子裡面烧煤炭」。
美国科学家用强力X光把氢原子压缩成接近太阳中心的状况,等于「引爆一颗超小氢弹」,完成了热能核融合(thermonuclearfusion)。这种规模的爆炸不至危险,但可藉类似太阳产生能量的「融合」力发电。要怎麽设计一座机器,让它能够迅速连续引爆核能,又不被炸毁,这是机械工程界的一大挑战。加州利佛摩国家实验室(LawrenceLivermoreNationalLaboratory)曾经以强烈雷射光射到氢气管的方法,引爆核融合。其他的科学家也试过用高度密集的氙或铯元素引燃氢气内爆。三迪亚实验室的 Ζ 加速器在九零年代中期,曾经创下放射二十兆瓦特X光的光辉记录,可是离融合所需仍差得远,实验室主管一度想把加速器关闭。后来,研究人员设法改善加速器的功能,把放射X光的功能增加十倍之多,最高可以放射两百兆瓦特,从此变成融合研究的黑马。该实验室X光射进氢气管数十亿分之一两秒之间所产生的能量,远远超过全球所有发电厂所产生的总量。

四、核融合发电的优、缺点

核融合被视为未来主要的能源,其主要优点如下:
01.原料取得容易 02.少量原料高产能 03.其废料幅射性低 04.洁淨的发电过程
05. 发生故障,立刻停机,不会爆炸由于这些安全,环保且原料丰富的特性,几乎成为人类未来能源之希望所在。核融合的能量非常大,氢弹就是利用核融合的原理製造的。核融合也是在太阳和许多恆星中经常进行着的反应。它的优点是没有放射性污染的顾虑。但是到目前为止科学家还没有能够得到可以控制的核融合能。我个人觉得,在能量的去路尚未开发成功之前,或是一个有效、可执行的节制发电量的国际公约尚未制定之前,可控制的核融合没有开发成功,未尝不是一件好事。否则,地球上能量的累积,或称之为全球的热污染,所造成的后果是不堪设想的。

五、核融合未来的发展
 
核融合能是目前唯一具有经济效益的永续能源(Sustainable Energy),多样性的潜力使得核能的发展无可限量。核能发展的趋势可以分成 4 种方向
01.持续改进现有核***(Nuclear fission)反应器,朝向更安全、运转更有弹性、效率更高、更经济、对环境更友善的方向大步迈进。
02.开发快滋生反应器(Fast Breeder Reactor),大幅提升能源使用效率,
奠定永续能源的基础。
03.人类的永续发展不是只有能源供应,水资源与氢能源的拓展更形重要,核
能应用于产生氢能源(Hydrogen energy)与海水澹化(Seawater Desalination)
有积极重要的贡献。
04.核融合(Nuclear fusion)是人类能源的最终解决方桉(Total solution),
也是最有善环境的永续能源。
核融合(nuclear fusion)是人类永续的未来。比起现在的核***,核融合的优
点包括 :
01.燃料来源不虞匮乏:据估计,全球海水中所蕴藏的氘(H)核种可以提供 世界 100 亿年的能源,几乎是取之不尽、用之不竭。
02.核融合不会产生任何放射性废料,没有废料难解的技术与政治问题。
03.只要减少电浆密度或燃料供给,核融合反应可以随时终止,其控制性比现行核***反应器要容易。
目前世界各先进国家都有长期的核融合计划,包括:日本的 JT-60 计划,欧洲共同体的 JET 计划,与全球大联盟的 ITER 计划。
自 1988 年起,美国、欧盟、日本与俄罗斯共同合作成立了 ITER 计画,其目的是设计并建造一个大型的实验反应器。预期在 2008 年开始初期运转,在 2050 年代,全球第一个商业运转的核融合电厂将会问世。


 结论

由于人口增加,每人耗费的能源用量也不断升高,但自然界的能源蕴藏并非无
穷,于传统能源逐渐枯竭之际,对各种形式再生能源的开发研究正被各国重视。近年来,无论核***、核融合和太阳能的研究发展,均呈现出一片蓬勃景象,但目前依赖最重,使用最多的还是化石性燃料,如煤、石油和天然气等,佔有 90﹪以上的今日能源供应市场由于这类燃料其蕴藏量有限且日益枯竭、分佈不均,使用时又污染严重,鉴于目前已经投置的生产设备和应用技术,预计化石燃料尚可以维持在能源主流的地位直至本世纪之末,因此人类当务之急便是寻求更好用的燃料,并加紧改良现有能源的利用技术。
目前核融合发电尚未成功。科学界预估,还要三十年时间技术才臻成熟,人类方能享受核融合发电的成果,儘管如此,核融合已被视为二十一世纪最具潜力的发电技术,如果成功的话,人类就可以建立高效率、低污染、用之不竭的能源。科技带来的许多正面影响,但也必须注意其负面冲击。其中包括
一、科技的发展,带来了物质文明,是否会损及精神文明?
二、科技带来了大量的工业污染,矿物燃料的燃烧引起温室效应及气候之常,如此是否会引起人类生存之危机?
三、以核***方式提供能源有环保之顾虑,但石油等矿物燃料储存有限,当其耗尽之时,是否即为人类文明终结之日?
这些人文、科技、环保议题,近经常被提出来讨论,但通常都忽略了几个事实:即农业对生态环境的破坏,是相当严重的。无数的森林遭到砍伐,为灌溉所建筑之渠道、水坝、堤防等,通常也都带来生态上严重的破坏,田园与高尔夫球场一样,绝非自然的本

发表于 2015-12-1 08:40:10 | 显示全部楼层
说的好,一定回复~
发表于 2015-12-1 08:40:10 | 显示全部楼层
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