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主题：【原创】热核聚变笔记 -- 滕诺
家园 【原创】热核聚变笔记 近日，饭桌上与老父闲聊，谈起能源问题，老父提及以前新闻报道过的热核聚变能源，不知何时能实用，下来上网查了点资料，发现网易公开课有中国科技大学万元熙院士关于核聚变的讲座，一共五讲，连续听下来，十分解渴，听完后将暂存于脑海中的记忆笔录于此。虽然网络发达，各种资源随处可查，可是从网络到脑海到笔端，走完这个过程才算自己了解。
热核聚变的理论基础是爱因斯坦的那个鼎鼎大名的物质质量能源公式：能量等于质量乘以光速的平方，E=mc^2。现在的核电站利用的是核裂变所产生的能量，即大的原子核如放射性的铀235裂变后质量损失所带来的能量补偿，原子弹也是这个原理。热核聚变则反之，利用的是小的原子核合并后产生的质量损失所带来的能量，氢弹就是这个原理。由于地球中的铀等放射性元素储量有限，且这些大分子不稳定、放射性半衰期长，资源有限且污染环境，而热核聚变则没有这个问题。
热核聚变利用的是氢及其同位素氘、氚，氢在大气中存在，氘可以从海水中提炼，氚则麻烦点，不过也可以通过用中子轰击锂原子而得到。氢、氘都不具备放射性，是安全的，氚具有放射性，但其半衰期只有12年，处理起来相对简单。太阳就是通过热核聚变氢-氢产生能量，其亿分之一的能量达到地球就养育了我们。
要达到热核聚变，需要满足一定的条件，主要是三个，即温度、密度、反应时间。温度是指发生反应时的环境温度，太阳的温度是一千万度，在地球上发生热核反应的温度应高于太阳温度。在那么高的温度下，物质进入第四种状态，即固态、液态、气态之后的电离态，也就是原子被打散成原子核与分离的电子。密度是电离态的原子核密度，密度低了则反应难以连续发生，而电离态的原子核极为活跃，很难约束到一起，所以造一个盒子将它们装起来增加密度十分困难。反应时间是指发生反应所能持续的时间。这三者的乘积达到10的18次方，理论上可以发生热核聚变，达到10的19-20次方可以观察到热核聚变，达到10的21次方以上则可以达到连续热核聚变的点火阶段。
理论上，要满足上述条件，有三种途径。一是重力约束，比如太阳，由于其质量巨大，仅凭其自身的引力就可以将电离的氢原子核束缚在身边以发生连续的热核反应，但地球显然不具备这个条件，地球上容易发生热核聚变反应的是氘-氚组合，而不是太阳的氢-氢聚变，不是不想用更容易得到的氢，而是咱没有太阳那个肌肉。二是惯性约束，即通过巨大的动能去轰击原子核，美国人做了个实验装置利用超级高能的激光去轰，其能量号称达到全美电力装机容量的500倍，但持续时间可想而知，比一刹那的一刹那的一刹那还短，一刹那有多短？按佛教典籍，一昼夜有480万刹那，折合0.018秒。可想而知，这也不是个可行之道。第三就是我这个电工所熟悉的电磁约束了，原子不是被电离了么，造一个大线圈，通上电形成个强磁场，这些粒子还不是乖乖地沿着磁力线转圈圈了。
按照电磁约束的思路，苏联人造了个托卡马克装置，取得了成功，后来其他国家都按照这个思路开展研究，我国当然也造了。现在实验数据最好的是日本人的一个，理论上效能达到了1.25，就是说下了一斤麦子的种子，收获了一斤二两五，算不错了没亏，反应持续时间接近了2秒，为啥说是理论上呢，前面不是说了地球上的热核聚变是氘氚反应嘛，而氚是造氢弹这个大杀器的原料，老美怎么可能让小日本拿着呢，所以只是理论上计算的。当然，咱们也有咱们的独门武功，就是咱们造了个超导材料的电磁盒子。学工的同学知道，电磁场是有损耗的，只有超导了，损耗才降到理论上的最低，而要满足前面那个10的21次方，显然是必须要超导的。
后来，戈巴和里根商量咱们合伙玩吧，整个大家伙，不过这个太烧钱，把欧盟和日本带着，他俩有钱。这就从1985年一直商量了二十来年，老美反反复复，又惦记苏联人的技术，又怕自己那点东西被别人偷了去，直到苏联解体了，多少年过去额，欧洲人烦了说不带这样玩的，不要小美了，咱们把兔子和宇宙第一大国拉进来一起整，美国这才着急了，重新加入，分面包的时候阿三说我也是宇宙大国，我带你们玩吧，于是2007年这七个财主开始玩起了一个号称人造太阳的国际热核实验反应堆，这个小太阳放在法国，欧洲出资45%，其他各国各出9%。这个人造太阳大约30米高，直径也是30来米，造价按照98年美元计算是50亿，维护费用也是50亿美元，当然，现在价格自然是大大上升了。这个人造太阳达到了点火区间的边缘，也就是说，持续反应时间可以达到百秒级别，能量效率达到10倍左右，还可以自持续即自己生成氚。
说个笑话，阿三总是气球吹的很大，这个也不例外，他在自己国内也造了个小的，可是呢，每次学术界要开年会的时候，阿三总说我的托卡马克装置造好了，出实验结果了，然后提交学术论文，然后要开会了，装置不能运行，只好撤回学术论文，如是者三。为啥？因为阿三不会抽真空：)抽真空还不简单？会造热水瓶的玻璃匠都会吹，难道阿三不会吹玻璃么?前面说了，高温电离态的粒子要造个盒子装起来，这个盒子必须是真空的，就象那暖水瓶的隔层。大家都知道，热水瓶底不是有个小锥锥么，那个地方破了就没了真空不能保温了。托卡马克装置的真空室就象那个热水瓶，只是不止一个小锥锥，而是成千上万个，所以阿三明知道是小锥锥破了，却总是找不到哪个破了，后来找兔子专家去帮忙，买兔子关键设备去换，还是找不出来，这也是国家制造业技术整体上的差距吧，所以万院士也有点担心这个人造太阳呢。
这个人造太阳估计要造个二十年，如果完成实验目标的话，就可以继续整工程示范堆了，那也估计要二十来年，顺利的话，到2050年就可以建成第一台热核聚变电站了。不过呢，虽然七矮人一起造太阳，但七矮人也还各有各的算盘。太阳造在自家院子里，欧洲人自然是一心向阳了。俄国人想拉着兔子抄条近道，搞核聚变与核裂变的复合体，争取早日实用，不过兔子还没答应。兔子想的是一起造太阳也不影响我先造个小一点的工程堆，太阳开始发光了，我这个工程堆正好可以用它的数据来应证，顺利的话就可直接实用了。宇宙第一大国和阿三也各有各的梦想。。。
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错，氚矗立起来一点也不简单，比铀、钚复杂。
你一个错误观念：半衰期短的好处理，半衰期长的难处理，是错误的。半衰期很短的，比如几分钟以内的，很快就衰变完了，放一段时间后（称为冷却），放射性低了就好处理了。半衰期长的，不如几十亿年的，放射性A=N0*exp(t/T1/2)很低，也好处理。
比如U235和U238，其实一点不可怕，核武器的富集度92%以上U235的弹芯是可以人工操作上车床加工的。
3)在那么高的温度下，物质进入第四种状态，即固态、液态、气态之后的电离态，也就是原子被打散成原子核与分离的电子。密度是电离态的原子核密度，密度低了则反应难以连续发生，而电离态的原子核极为活跃，很难约束到一起，所以造一个盒子将它们装起来增加密度十分困难。
这个所谓的第四态不是电离态，应该叫等离子体plasma，“电离态的原子核极为活跃”是不对的，原子核的状态非常难受外界条件影响，因为核力的强度太高了。难以约束到一起是由于电离了的核带正电荷，相互排斥，这是电磁力，原子核-原子核之间的电磁力，和电子-电子之间的电磁力没什么不同。不是核力，核子（质子、中子）之间的力。
你是电工所的啊，不是核口的，算了，不给你挑刺了。但作为相关专业，还是多学点相关知识好。
家园 几个错误~~ 1）由于地球中的铀等放射性元素储量有限，且这些大分子不稳定、放射性半衰期长，资源有限且污染环境，而热核聚变则没有这个问题。
能裂变的原子核并非一定是放射性的，如U238其实很稳定了，半衰期高达43亿年。
不是大分子，是重原子核。
不稳定应该是半衰期短，半衰期长应该是稳定。
热核聚变也有污染，那么强的中子流，照到哪里哪里就成了放射源。
家园 【讨论】大家都没有关注到冷核聚变的最新进展吗？ NASA承认冷核聚变了：
原文地址：http://technologygateway.nasa.gov/media/CC/lenr/lenr.html
中文翻译：
http://www.tudou.com/programs/view/murxMJdsx5s
而且，清华大学也开了个研讨会：
http://www.tsinghua.edu.cn/publish/ep/1231/2012/20120423093217232290858/20120423093217232290858_.html
看这个意思也是认可了那个意大利Rossi团队的成果！
大家对此有何看法？
有国外消息灵通的，说说这方面的进展，就是意大利Rossi团队的产品到底如何？据说要在希腊建立一个10kW的反应堆哦！
家园 又出夭娥子了： 世界最大科学工程之一ITER面临延误困境
虽然基础设施已经铺设，但是ITER建设由于复杂的合约处理方式而面临延误。
图片来源：ITER ORGANIZATION
本报讯（记者唐凤）目前，世界上最大的科学工程之一 ——国际热核聚变实验堆（ITER）计划——正遭遇进一步推迟的威胁。原因是各机构正在争相完成相关设计，并试图与工业合作者签署价值数百亿欧元的合约。
ITER计划是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，旨在探索核聚变反应作为能源生产者使用的可行性，以解决人类未来能源问题。其装置主要包括一个环形的被称为托卡马克装置的反应堆，包裹着超导磁体的托卡马克装置就像一个“磁笼”，氢同位素等离子体就被约束在这“磁笼”中，被不断挤压和加热从而接近聚变条件。受控的核聚变反应能够释放超过社会消耗量十倍的能量。
但是，这还只是一个梦想。
到目前为止，ITER计划已经耗费了大量金钱和时间。《自然》杂志报道指出，2006年，ITER计划的七个国际成员签署协议以来，其报价已经达到150亿欧元（约合194亿美元），并且竣工时间推迟到2020年底。而工期拖延和成本攀升的主要原因之一在于广泛的设计审查——该审查工作完成于2009年。
祸不单行，前不久，熟悉ITER计划运作的人士警告称，用于购买ITER设备各种部件的复杂体系还会进一步拖延工期。
根据规定，ITER计划的合作伙伴需要抵押实物而非付以现金，来资助该装置建设所需部件。这样一来，磁铁、仪器以及反应堆设备可能来自世界各地，这些部件将拼凑起位于法国南部St Paul lès Durance的ITER中央站。同时，由于没有掌管财务的机构，ITER中心组织和各成员国“国内机构”的装置部件设计也面临曲折往复问题。
另外，托卡马克装置建筑的施工建设承包给了F4E——欧洲的内部机构。但是，ITER组织无法告诉该机构需要建设什么，ITER技术总监Rem Haange表示，直到F4E从其他国家机构的诸多系统和子系统那里收集到有用的数据，工程才开始。
2011年，Haange接手工作时，工期已经严重落后于预定计划。不过，他表示自己将坚定地按照时间表推进工程进度，努力追回损失的时间。最终的设计方案将在明年3月完成，但是按照预定时间，F4E必须在今年年末提交工程合同。
除此之外，F4E还在另一个主要合约——建造环绕机器的巨大极向场线圈上面临困难。
2009年，ITER组织授权F4E采购所需要的线圈，但是他们只收到一个来自法国Alstom公司和德国Babcock Noell公司的联合竞标。F4E驳回了这一竞标，因为它给出的价格远远高于F4E的预期价格。
Alstom公司的发言人表示，在漫长而又艰难的技术和商业磋商后，竞标失败了。不过，F4E发言人Aris Apollonatos则指出，现在，合约将被拆分成7个部分，以便使其更具吸引力。“本月早些时候召开的一次会议上，有27家公司对此表示出兴趣。”他说。
尽管目前时间紧迫，Haange和Apollonatos表示，在下个月于法国卡达拉舍举行的ITER理事会议上，他们不会要求更多的时间。“我们只有在工程确实需要更多时间的情况下，才会向理事会提出额外的时间要求。”Haange说。
但是，坚持启动时间表也可能耽搁首次能量生产实验的进行，目前其预定启动时间大约在2027年末或2028年初。因为这些实验需要氢的放射性同位素——氚，但是，为了确保总体工程按照目前预算和时间表进行，所需氚的生产设备建设不得不推迟，Haange表示。“我们必须寻求适当的方法，弥补这些潜在的时间延误。”他说。
《中国科学报》 (2012-10-29 A2 国际)
http://www.stdaily.com/stdaily/content/2012-10/29/content_534088.htm
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三个和尚没水吃。。。
家园 小的原子核合并后产生的质量损失 详细是怎样的？请多讲讲吧。
家园 质量损失或质量亏损 2个小核合成1个大核的质量比2个小核的质量之和小，是质量亏损
1个大核分裂成2个小核其质量之和比1个大核的质量要小，也是质量亏损
这个不亏损的分界点在Fe56，也就是铁
所以，原则上，只要存在不是铁的元素，就能释放能量，一疙瘩铁，就是所谓死星。
家园 宇宙中比铁重的元素怎么来的呢？ 从氢开始的聚变反应都是释放能量的，正反馈使反应可以持续下去。到铁开始吸收能量了，负反馈把反应条件破坏掉了，靠吸收外部能量可以一时，无法持续。那大量重元素的的产生机制是什么？
家园 俺大学学现代物理的时候学过一点天文物理,不是砖家 好像根据恒星的体积不同,演变的结局不同
质量中等的,会演变成中子星,一个无穷大的原子核,这个巨大的原子核一旦崩溃的话,应该能抛出很多重核的
家园 中子星崩溃的机制是什么 能说说看吗？
按说中子星上引力已经强到超过电子简并压力，把电子都压入质子成为中子了——也就是说引力超过并代替了强相互作用，把中子星这个巨大的原子核捏在一起；而电磁力对中子无效；至于弱相互作用，似乎只能在单个自由中子上发生——那还有什么可以破坏中子星的稳定呢？
家园 超新星爆发炸出来的 家园 我之前想过 超新星爆发会制造少量重元素。但重元素分布似乎很普遍，印象中超新星爆发是比较稀罕的，而且相当多塌缩成黑洞，把周围的东西又吸进去了。也许超新星爆发其实比我想象的多？
