核聚变发电是一种利用原子核聚变反应产生热能,然后利用热能发电的技术。它是21世纪正在研究中的重要技术,主要是把聚变燃料加热到1亿度以上高温,让它产生核聚变,然后利用热能。

1.核聚变发电的原理

核聚变的原理是:在极高的温度和压力下才能让核外电子摆脱原子核的束缚,让两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起,发生原子核互相聚合作用,生成新的质量更重的原子核(如氦),中子虽然质量比较大,但是由于中子不带电,因此也能够在这个碰撞过程中逃离原子核的束缚而释放出来。

核聚变发电的原理

2.核聚变发电的条件

1、极高的温度

要使两个原子核发生聚变反应,必须使它们彼此靠得足够近,达到原子核内核子与核子之间核力的作用距离,此时核力才能将它们“粘合”成整体形成新的原子核。由于原子核都带正电,当两个原子核靠得越来越近时,它们之间的静电斥力也越来越大。静电斥力也称静电势垒,它像一座高山一样将两个轻核隔开。据实验资料估计,要使两个氘核相遇,它们的相对速度必须大于每秒1000公里。此时单个氘核具有巨大的动能,对于一团氘核整体而言,则具有极高的温度。两个氘核产生聚变反应时,温度必须高达一亿度。氘核与氚核间发生聚变反应时,温度也须达到五千万度以上。这种在极高温度下才能发生的聚变核反应也称热核反应。在如此高温下,物质已全部电离,形成高温等离子体。

2、充分的约束

充分的约束,指将高温等离子体维持相对足够长的时间,以便充分地发生聚变反应,释放出足够多的能量,使聚变反应释放的能量大于产生和加热等离子体本身所需的能量及其在此过程中损失的能量。这样,利用聚变反应释放出的能量就可以维持所需的极高温度,无需再从外界吸收能量,聚变反应就能够自持进行。表征这个概念的科学术语叫做“聚变点火”。要实现聚变点火,必须达到一定的约束时间。约束时间跟密度相关,密度大,单位时间里参加反应的原子核较多,释放的能量也较多,必要的约束时间相应较短。反之,约束时间必须较长。英国科学家劳逊在五十年代详细研究了实现聚变点火必须满足的条件(点火条件也称劳逊条件或劳逊判据),它是温度T和约束时间τ跟密度n乘积的函数。从对高温粒子的约束方式看目前有磁约束和惯性约束两种。

核聚变发电的条件

3.核聚变发电的优缺点

优点:

1、相比与化石燃料发电,核能发电不会排放巨量的污染物质到大气中,不会对空气造成污染,且核能发电不会排放二氧化碳加重地球温室效应。

2、核能发电所使用的轴燃料,只有发电的用途。世界上核资源比较丰富,核燃料有铀、锂、硼、钍氘等等,铀在世界上的储量约为417万吨。地球上可提供的能量、可供开发的核燃料资源是矿石燃料的十万多倍。缓和世界能源危机的一种经济有效的措施是核能应用,具有许多优点,其一核燃料具有许多优点,如核能比化学能大几百万倍、体积小而能量大。

3、化石燃料能量密度比核燃料能量密度低几百万倍,因此核能电厂所使用的燃料体积小,运输和存储都会比较方便。又因核燃料运输量较小,核电站可以建在最需要的工业区附近。同时煤里的少量钛、铀、和镭等放射性物质,会随着烟尘飘落到火电站附近,对环境造成污染。核电站设置了层层屏障,基本不会排放污染环境的物质,放射性污染也比烧煤电站少的多。

4、燃料费用在核电发电成本中所占比例比较低,且核电发电成本不会轻易受到国际经济情势影响,故发电成本比其他发电方法比较稳定。

缺点:

1、必须完成核裂变链式反应才能产生核能。核裂变要是失去控制,就会产生对环境和人体有巨大危害的中子和放射性物质,目前全球已经发生了数起核泄漏事故,给生态和人民带来了严重的伤害。因此部分环保人士提出相比于其他可再生能源,核能不能作为一种安全能源。

2、使用过的核燃料虽然体积不大,却具有较强的放射性,要是没有进行妥当的处理,就会对环境生命产生致命的影响。从核反应堆出来的核废料会在不到一分钟的时间内致死。一般的物理、化学或是生物方法是无法消除核废料的放射性,只能靠其中放射性核素自身的衰变而减少。而这些放射性核素半衰期非常漫长,长达几万甚至几百万年。伴随着全球核电站的数量不断增加,核废料对自然环境的威胁越来越大。全球科学工作者将面临的重要课题是如何安全永久地处理核废料。

3、核能电厂电力公司的财务风险较高,投资成本过大。此外,核能较低的发电热效率使得其比一般化石燃料电厂排放更多的废热到环境里,因此核能电厂的热污染比较严重。

核聚变发电的优缺点