磁约束回旋式同向能差相撞聚变反应器

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磁约束回旋式同向能差碰撞聚变反应器

作者：葛磊

1.摘要

本文介绍了一种用磁约束使具有足够能差的氘核（包括氚核）同向相撞并反复回旋的方式实现可控核聚变的方法。此方法可使反应粒子的能量、密度、反应时间均处于可调节状态，回避了常规等离子体模式所遇到的困难，满足了可控核聚变的条件。方法的依据都是世界上公认的物理理论，只是在工艺上做了创新。

2.关键词

磁约束、同向能差碰撞、正方形磁场、电场加速、回旋装置、聚变反应器。

3.引言

早在1933年，核聚变的原理就被提出，但核聚变至今未能用于发电运营；相反，核裂变在此后5年才被发现，而核裂变至少于30年前已大量投入发电运营；此中的原因值得深思，所走的道路是否存在弯路？

1939年，美国物理学家贝特通过实验，把一个氘原子核用加速器加速后和一个氚原子核以极高的速度碰撞，两个原子核发生了融合，形成一个新的原子核（氦）和一个自由中子，在这个过程中释放出了17.6兆电子伏的能量；此实验将核聚变的原理变为现实。核聚变分为一次性聚变和可控核聚变。氢弹为一次性聚变，是利用原子弹爆炸的能量进行点火、引发聚变，聚变产生的能量一次性剧烈释放；一次性聚变只能用于军事，而无法民用。可控核聚变是指人们可以控制核聚变的开启和停止，以及随时可以对核聚变的反应速度进行控制；可控核聚变可用于发电，可彻底解决当今世界所面临的能源危机、环境危机甚至社会危机（因能源问题而引发的战争）。

可控核聚变的原理很简单，但反应条件要求很高。第一步，作为反应物的氘或氚必须被加热到使得电子能脱离原子核束缚的状态，这时氘（或氚）核才能发生直接接触，这需要大约10万度的高温。第二步，为了克服库伦斥力，氘（或氚）核需要以极快的速度运行；为此，需继续加温至几千万乃至上亿度。这样，氘（或氚）核以极大的速度，赤裸裸地发生碰撞，产生新的氦核和新的中子，释放出巨大的能量。

正是因为可控核聚变要求条件高，使得人们至今还没能有效地从核聚变中获取能量；尽管一次性聚变的氢弹已在50年前爆炸成功。

为了实现可控核聚变，大约在60年前，两种可控核聚变反应体的理论就产生了。一种是惯性约束，这一方法是：把几毫克的氘和氚的混合气体装入直径约几毫米的小球内，然后从外面均匀射入激光束或粒子束，球面内层因而向内挤压。球内气体受到挤压，压力升高，温度也急剧升高，当温度达到需要的点火温度时，球内气体发生爆炸，产生大量热能。这样的爆炸每秒钟发生三四次，并持续不断地进行下去，释放出的能量就可以达到百万千瓦级的水平。另一种就是磁力约束，由于原子核是带正电的，只要约束磁场足够强大，那么氘核和氚核就会被约束在一定空间内通过加热使其能量增加而发生有效碰撞，实现聚变。目前世界可控核聚变研究，主要集中在这两个领域上。根据这两种方式，世界各国的科学家进行了大量的研究，并取得了如下进展：

TOKAMAK

早在1954年，在原苏联库尔恰托夫原子能研究所就建成了世界上第一个托卡马克装置。托卡马克装置属磁约束方式。当时的托卡马克装置是个很不稳定的东西，搞了十几年，也没有得到能量输出，直到1970年，前苏联才在改进了很多次的托卡马克装置上第一次获得了实际的能量输出，能量增益因子（Q）值大约是10亿分之一。别小看这个十亿分之一，这使得全世界看到了希望，于是全世界都在这种激励下大干快上，纷纷建设起自己的大型托卡马克装置。欧洲建设了联合环-JET，苏联建设了T20（后来缩水成了T15，线圈小了，但是上了超导），日本的JT-60和美国的TFTR。这些托卡马克装置一次次把Q值的纪录刷新，1991年欧洲的联合环实现了核聚变史上第一次氘－氚运行实验，使用6：1的氘氚混合燃料，受控核聚变反应持续了2秒钟，获得了0.17万千瓦输出功率，Q值达0.12。1993年，美国在TFTR上使用氘、氚1：1的燃料，两次实验释放的聚变能分别为0.3万千瓦和0.56万千瓦，Q值达到了0.28。1997年9月，联合欧洲环创1.29万千瓦的世界纪录，Q值达0.60，持续了2秒。仅过了39天，输出功率又提高到1.61万千瓦，Q值达到0.65。三个月以后，日本的JT－60上成功进行了氘－氘反应实验，换算到氘－氚反应，Q值可以达到1。后来，Q值又超过了1.25。这是第一次Q值大于1，由此证明托卡马克理论上可以真正产生能量了。在这个大环境下，中我国也不例外，在70年代就建设了数个实验托卡马克装置——环流一号（HL-1）和CT-6，后来又建设了HT-6，HT-6B，以及改建了HL1M，新建了环流2号。

随着超导技术的发展又产生超脱卡马克装置。目前为止，世界上有4个国家有各自的大型超脱卡马克装置，法国的Tore－Supra，俄罗斯的T-15，日本的JT-60U，和中国的EAST。此外，在建的还有德国的螺旋石-7，规模比EAST大，但是技术水平差不多。

EAST

EAST是目前为止超托卡马克反应体部分唯一能给ITER提供实验数据的装置，他的结构和应用的技术与规划中的ITER完全一样，没有的仅仅是换能部分。EAST解决了几个重要问题：第一次采用了非圆型垂直截面，目的是在不增加环形直径的前提下增加反应体的体积，提高磁场效率。第一次全部采用了液氦无损耗的超导体系。液氦是很贵的，只有在线圈材料上下功夫，尽量少用液氦，同时让液氦可以循环使用，尽量减少损耗的系统才可能投入实用。此外，EAST还是世界上第一个具有主动冷却结构的托卡马克，它的第一壁是主动冷却的，目前连接的是一个大型冷却塔，它的冷却水可以保证在长时间运行后将反应产生的热量带走，维持系统的温度平衡，一方面是为真正实现稳定的受控聚变迈出的重要一步，另一方面也是工程化的重要标志——冷却塔换成汽轮机是可以发电的。结合一些相关资料，目前世界这个领域普遍认为EAST将是第一个能长时间稳定运行的，Q值能达到1的托卡马克装置，当然这可能还要1-2年的时间。

尽管世界各国的可控核聚变研究取得了不少进展，但以下三个问题仍未彻底解决，那就是：反应物的密度不够大，反应物的能量不够高，对反应物的约束时间不够长；而磁约束回旋式同向能差碰撞反应模型可以很好地解决这些问题。另外，采用托卡马克模式和惯性约束模式所发生的核聚变是间断性的，而磁约束回旋式同向能差碰撞反应模型所发生的核聚变是连续的；磁约束回旋式同向能差碰撞反应模型所使用的原料只有廉价易得的氘，氚和氦3可以在反应过程中得到。

4.磁约束回旋式同向能差碰撞反应模型

4.1理论依据

公认的物理理论和大量的实验已经证实，聚变反应实质上是具有一定相对动能的氘核和氘核（或氘核和氚核等）克服斥力，相互接近而发生融合的过程。因此，只要参加反应的氘核（或氚核）具有一定的相对动能、足够的密度和充分的反应时间，即可实现可控聚变。基于这一点所设计的反应模型回避了等离子体所遇到的困难，能够满足实现可控核聚变的条件。

本模型利用加速装置，使氘核等的能量可以随意调控；通过正方形磁场，可以对氘核等反应粒子进行有效的约束，可以使氘核、氚核的密度得到有效的控制；通过回旋装置，可以很好的控制反应时间；通过具有一定能差的氘核（或氚核）同向碰撞（如下图），实现聚变。

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4.2模型

该模型分为：1、氘核源（产生和分离氘核）。2、加速装置（A、给氘核、氚核加速，使之成为具有一定动能和动能差的两束粒子。氘核、氚核的具体能差和动能的选择，可根据氘核能量与反应截面关系曲线并结合实验条件确定；能差既要大于两个氘核能够接近并能发生反应的阈值，但也不能太大，要使两者发生反应的几率最高，这需要进行大量的实验；低能氘核的动能，还要根据反应粒子密度的需要进行调整；考虑到在反应器内低能粒子束会被高能粒子束加速的因素，所以，低能粒子的能量应尽可能地低，高能粒子与低能粒子间的能差应尽可能地大。例如：一束氘核中单个氘核的动能选择300kev，另一束氘核的动能选择100kev；或者一束氘核的动能选择400kev，另一束中氘核的动能选择200kev等。B、调节反应生成的氚核和剩余的氘核的能量，使之变成高能粒子束的一部分再次进入反应器中进行反应）。3、约束反应装置（将氘核和氚核约束在特定区域进行反应）。4、分离装置（将反应剩余物中的氘核、氚核和氦3分离出来）。

工作原理：

第一步、

氘核源产生的氘核，通过加速装置，呈具有特定动能差的两束进入反应装置（如图一）。

虽然两束氘核是同向运动，但由于其能差已超过了氘核碰撞并融合所必须的能量（反应阈值），所以两束氘核可以通过碰撞而发生融合（聚变）。

为了增大氘核的密度，模型中采用了A——A剖面所示的正方形磁场来约束氘核和氚核。在X轴的上方施加水平方向向右的磁场，在Y轴的右侧再施加竖直方向向下的磁场，在X轴的下方再施加水平方向向左的磁场，在Y轴的左侧再施加沿竖直方向向上的磁场。A——A剖面所示的中间部分，为上述磁场的合磁场磁力线示意图。由于所有氘核和氚核都具有沿远离读者方向前进的速度，故将受到向内的挤压作用。可见，这种磁场能够有效地控制反应器内的氘核和氚核的密度；对于氘核和氚核的散射有很好的约束作用。

由于氘核（或氚核）都沿着远离读者的方向运动，且带正电，故氘核（或氚核）束自身也产生顺时针方向的环形磁场，该磁场也对氘核（或氚核）也有一定的约束作用，可以束紧氘核（或氚核），防止它们向外发散。

为了使反应充分进行，在反应器的两端设有两个半圆环回旋部分，在端部的外半环沿垂直于圆环的方向额外施加适当的匀强磁场，以保证将回旋部位的氘核束仍被约束在反应器的适当部位。通过回旋部分，氘核束可以在反应器内循环运动，有充分的碰撞融合机会；在此过程中，氘核和氘核反应生成氚核（或氦3）并放出部分能量，新生成的氚核（或氦3）还可继续与氘核发生反应生成氦核并放出更多的能量。反应较充分后，可通过瞬间消除回旋部分的局部磁场，使剩余物沿出口飞出。

通过分离装置，对剩余物进行回收、分离，对其中的氘核、氚核（或氦3）要再利用。

在此过程中，首先高能氘核与低能氘核相撞，产生氚核或氦3，放出部分能量，其反应式如下：

2H+2H→3He+1n+3.25MeV
2H+2H→3H+1H+4.00MeV

然后，新产生的氚核或氦3又会和后来的高能氘核相撞，产生

氦核，放出更多能量，其反应式如下：
　　3H+2H→4He+1n+17.6MeV，
　　3He+2H→4He+1H+18.3MeV，
　　



第二步、

将第一步反应剩余的氘核和生成的氚核（或氦3）引入加速装置调节其能量，使之作为反应物成为高能粒子束的一部分再次进入反应装置；相应地，还需输入适当数量的低能氘核和高能氘核，以进行第二步的反应。目的是让氘核与氚核（或氦3）融合产生氦核和能量，让氘核再与氘核融合产生氚核（或氦3）和能量。第一步和第二步需协调、循环进行。

该模型：通过加速装置，可以控制氘核和氚核（或氦3）的动能和能差；通过控制氘核的流量、氘核和氚核（或氦3）的动能、磁场强度、反应时间，可以控制氘核和氚核（或氦3）的密度；通过回旋装置，反应时间可以随意调节。可见，整个反应过程均处于可控状态。

以目前的技术条件，利用直线加速装置将粒子束的能量加速到400kev并不困难，制造强度在1特斯拉以上的磁场也不困难；在此前提下，利用正方形磁场可将粒子束的密度提高到9×1020/m3以上；如果高能束氘核的动能选择400kev，低能束中氘核的动能选择200kev，那么用于同向碰撞的能差可达150kev以上，相当于等离子体中单个粒子的动能可达75 kev以上；通过回旋装置，约束反应时间可以随意调节，不妨确定约束反应时间为1s（也可为10s、100s）。    大量的理论研究和实验证明，等离子体的聚变反应条件是：

密度、能量、时间的三重积大于1×1021m-3kevs

类比于等离子体，本模型中粒子的密度、能量、时间的三重积至少可达：

9×1020/m3×75 kev×1s=6.75×1022m-3kevs

可见，本模型可以大大满足等离子体的反应条件；另外值得一提的是，在传统的等离子体中粒子的碰撞是杂乱无章的，在本模型中粒子的碰撞是统一有序的；在相同条件下本模型中的粒子发生有效碰撞机率要远远高于等离子体中的粒子。所以本模型能够满足可控核聚变所必须的能量、密度、和时间条件。
















  



A---A剖面

zhangwenliang

学习一下  ！

shanye

诸位知道：可控核聚变意义重大，是当今世界上最前沿的课题。您如果认为上述方案可行，就请代为向国家权威部门引荐，使可控核聚变能够尽早在我国实现；如果认为不可行，请指出其中的不可行之处，笔者不胜感激！

shanye

看来，很少有人关注可控核聚变。

shanye

“磁约束回旋式同向能差碰撞聚变反应器”的原理并不复杂，只是在工艺和方法上有重大创新，相信很多人都能看得懂。

shanye

请诸位同行：要么向权威方面推荐，要么指出其中有不可行之处。不胜感激！！