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一种简单的核子熔合(核聚变)装置

已有 3070 次阅读 2015-1-13 12:55 |个人分类:好好学习|系统分类:科研笔记|关键词:学者| style, 核聚变, 活化能

http://idea.cas.cn/viewdoc.action?docid=338

 

核聚变能够提供巨大的能量,但是核聚变的发生需要极端的高温高压。目前世界上研究最广泛的方法是托卡马克装置和惯性约束装置,但是两者都远远没有达到实用。表面上看,核聚变的最大难点是极端的高温难以实现和维持,实际上是一个能量的问题,温度只是用来活化核子,使其具备一定的能量,达到核子熔合需要的活化能,才能使反应持续进行。说到能量,最简单的办法是直接把核子放入电场中加速,从电场中获取能量的效率是100%。对于1亿度的高温,也就相当于10000 V的电场加速所产生的能量,而1亿度的高温和10000 V的电压哪个更容易实现,不言自明,我们用来防身的普通电棒就能产生几十万伏的电压。(我真觉得美国可能早就已经在用核聚变发电了)

但是,获取足够的能量只是发生核子熔合的必要条件之一,不是充分条件。如果要想核子熔合发生还需要核子进行有效的碰撞,如图(1)。说到碰撞就有一个碰撞角度和部位的问题,不知道研究高能物理的有没有解决这个问题。所谓碰撞角度就是两个粒子是正面对碰,或是有点错位的碰撞,到底哪种情况比较好。另外所谓碰撞部位就是指,对于一个质子它并不是完全均匀的小球,就像我们的地球,有的地方是海洋有的地方是陆地,质子虽小却有更小的结构存在。如果考虑两个氘核碰撞,情况就更复杂了。怎么控制碰撞的角度和部位是是否产生有效碰撞的前提。


图(1)两个质子直接碰撞的示意图

 

在考虑碰撞的角度和部位之前还有一个更早的问题,那就是怎么样让两个原子核碰撞,因为原子核的直径只有1e-15米的数量级,所以两束粒子的直接碰撞的效率肯定非常的低。现在的问题就是怎么样让粒子束发生碰撞,注意不是有效碰撞,不过可以首先能发生碰撞了再研究有效碰撞。这里提出一个简单的装置模型,图(2),至少可以解决让粒子束发生碰撞的问题。


图(2)两个质子在磁场中碰撞的示意图。红色圆圈和正号代表粒子,灰色为粒子的运动路径,红色叉号代表粒子的碰撞位置,绿色叉号代表磁场。

下面简单介绍一下图(2)的工作原理,两束粒子(图为两种不同的粒子)从相反的方向射入一个磁场,但是两束粒子不是在一条支线上,而是根据各方面的条件错开一定距离。入射到磁场中粒子会作圆周运动,由于磁场的微小不均匀性,或者对磁场进行调节,从而使粒子发生碰撞。显然,只要粒子不发生碰撞,它就能保持能量并且能持续一段时间,这样就能弥补核子的小尺寸带来不利影响,犹如核子在碰撞之前一直在一定的范围内搜寻合适的另一个相对运动的核子,如图(3)。


图(3)两个核子在磁场中运动的截面示意图。红色点号代表向纸外运动的核子,蓝色叉号代表纸内运动的核子,绿色圆圈圈住的位置是两者碰撞的位置。

此文只是提出原理和设想,并不能给出技术细节,即使碰撞能够实现,怎么样提高碰撞的有效性也是一个问题,本文没有给出具体解决方案,或许可以通过调节电磁场的结构来实现,毕竟核子是有磁性的,可以控制核子的碰撞时候的姿态。

总结一下,本文摒弃了热门研究的托卡马克装置和惯性约束装置,采用电场加速的方法使得核子具备一定的能量,然后用磁场约束核子直到核子之间发生碰撞。此装置的原理极为简单,可以预见,实现起来也不会太复杂,研究投资很小,所以注定了这个设想能够吸引一些认为此想法合理的人进行研究,也容易被很多人研究,也就能够发挥更多人的智慧,能够得到更多的第一手数据,有望迅速发展和壮大。而现有的大型设备由于极为昂贵,动辄上百亿美元,不能轻易改动,不能深入研究,极大的限制了人的创造力和能动性,我想这也有可能是核聚变几十年来难以突破的原因之一。




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2 张江敏 zhoutong

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