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如果可控核聚变实现无限能源?劳森判据还有意义吗?

如果可控核聚变实现无限能源?劳森判据还有意义吗?
2021年05月31日 14:14 新浪网 作者 爱吃甜甜圈滴刺猬

  当氘原子和氚原子聚合,会生成两个质子和两个中子组成的氦原子,并释放一个多余的中子,产生约17.6MeV的能量。1克核聚变燃料释放的能量,相当于8吨石油完全燃烧,但想要在地球上和平地实现氘氚巨变,必须满足一个苛刻的条件:劳森判据。

  

  劳森判据

  即密度、温度、约束时间的乘积达到一个数量级,这就需要将核燃料加热到1亿摄氏度以上,形成等离子体,这是物体固液气之外的又一种状态。高温会使电子摆脱原子核的束缚,形成自由粒子,在等离子体中,电子带负电,失去电子的原子即离子带正电,它们均匀混合在一起,整体呈电中性。

  

  但是地球上没有任何一种材料能够承载1亿度的高温,不过利用磁场可以隔空约束它们,让它们悬浮起来。在平直均匀的磁场中,粒子受洛伦兹力将沿着磁场方向做螺旋线运动,其中带正电的离子和带负电的离子转动不一样。

  核燃料装置

  想要让核燃料等离子体无限运动下去,可以制造一个半径为R的环形磁场,根据安培环路定理,这需要用一组通电线圈排成大环状。然而在实际中,通电线圈内的磁场并不均匀,环路内侧比外侧半径小,导致内侧磁感应强度比外侧大,磁感应强度梯度指向圆环中心。

  

  根据麦克斯韦方程,在真空中磁感应强度梯度和弯曲的磁场,会给粒子注入垂直于运动方向的动能,和平行于运动方向的动能,让粒子们渐渐偏离磁感线方向,这一现象被称为粒子漂移。因为离子和电子的漂移方向相反,渐渐地核燃料中的离子将聚集在上部,而电子将聚集到下部。

  

  正负电荷的分离将产生一个垂直向下的幽灵电场,它将和环形磁场共同作用,产生一个指向螺线管外的速度分量,上亿度的核燃料会被这个分量甩出来,该怎么办?

  

  这时候就需要第二组通电线圈,套在环形磁场之外,它可以产生一个垂直方向的磁场,从而合成一个环绕大轴的螺旋形磁场,聚集在下部的电子可以沿着螺旋磁场转到上部与离子混合,同样聚集在上部的离子也可以转到下部,粒子们搅拌均匀,幽灵电场就消失得无影无踪。

  点火加热

  科学家利用MATLAB模拟了理想状态下,核燃料单粒子的其中一种运动轨迹,在不考虑粒子间的相互作用的前提下,粒子沿着轨迹悬浮运动,完全不会泄露出来。成功束缚住核燃料后,就要考虑核燃料的点火和加热了。

  

  这需要在装置中添加第三组通电线圈,中心螺管线圈,它能够提供一个穿过核燃料环快速变化的磁通,在核燃料中感应出一个环向电动势,击穿核燃料形成等离子体,并在其内部产生感应电流,电流产生的欧姆热能使核燃料不断增温,配合射频电磁波和中性粒子束注入等各种辅助加热手段,最终使核燃料达到1亿摄氏度的聚变条件。

  托卡马克

  上述就是托卡马克,一种最有可能让人类实现可控核聚变的构型,由苏联科学家在上世纪50年代提出,是环形、真空室、磁、线圈四个俄文词的缩写,但是时至今日,人类依然没有制造出可控的核聚变装置,用于生活中的能量消耗。

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