一种利用核聚变发电的新方法及系统模型

摘 要 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。提供一种无限的、清洁的、安全地利用核聚变发电的新方法及系统模型，并对大学物理教学中引入可控核聚变模型的意义进行分析，认为其有利于大学生对核聚变知识的掌握以及培养他们的创新创造能力。

关键词 核聚变；发电系统；物理教学

中图分类号：TM613 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）06-0033-03

New Method and System Model for using Nuclear Fusion to Ge-nerate Electricity//HU Lang， YIN Ye， ZHANG Wei

Abstract Using nuclear fusion to generate electricity is a technology

that uses nuclear fusion to produce thermal energy and then uses ther-

mal energy to generate electricity. This paper provides a new method

and system model for unlimited， clean， safe use of nuclear fusion to

generate electricity and analyzes the significance of introducing con-

trollable nuclear fusion model in college physics teaching. It is be-lieved that it is conducive to students’ knowledge of nuclear fusion and their innovation and creativity.

Key words nuclear fusion； power generation system； physics tea-ching

1 引言

随着工业和现代社会的不断发展，人类文明对于能源的需求日益增加。然而现有的石油、煤炭等不可再生能源的储量有限，很快将无法再满足人类生存发展的需要。而新兴能源中能产生巨大能量的核能可以作为人类未来的清洁能源。其中核聚变产生的能量较核裂变产生的能量更高，而且核原料的获取也更加容易。人类还不能利用核聚变能进行发电，唯一可利用的核能发电是裂变核能发电，并且都是利用核反应堆的临界状态工作。在反应堆的临界工作状态上工作是具有一定危险性的，如何安全、高效、持续地利用核聚变的能量，成为人类目前亟待解决的问题[1]。

目前，由于核聚变的巨大破坏性，在大学物理教学中对于核聚变的研究都仅处于理论研究阶段，还不能进行实践探索；学生对于核聚变的理解以及核聚变产生的能量的应用，都处于被认知阶段。因此，建立核聚变的系统模型是非常重要的，不仅有利于学生对课程内容本身的掌握，更有利于培养学生的科研能力和能源意识[2]。

本文将着重介绍利用核聚变发电的新方法以及其系统模型，并阐述其对大学物理核研究教学具有重要意义。

2 核聚变发电系统原理及结构

采用聚变靶和激光点火实现核聚变，向聚变靶的玻璃管端部输入激光，利用激光冲击点火技术使氘丸发生聚变，每次氘丸的爆炸当量对核反应井是安全的；在这种不破坏反应井的情况下，通过每一次的微型核爆炸，使反应井中水位提升并流入外部的环形水库中；环形水库底部设有发电装置，利用环形水库底部与海平面水位的高程差进行发电。本方法提供了一种无限的、清洁的、安全的利用核聚变的新能源发电系统。这种利用核聚变发电方法，其特征在于包括以下步骤：

1）建立底部设有核聚变发生装置的核反应井，以及沿着所述反应井设立环形水库，在所述环形水库底部设置发电装置；

2）启动所述核聚变发生装置，使用激光点火产生核聚变反应，利用核聚变释放出的能量，将核反应井中的水推入所述环形水库中；

3）开启所述发电装置，将环形水库中的水经发电装置流向海面，用水的势能转化为电能，从而实现发电。

核聚变发生装置包括微核爆激光导引玻璃管，以及放置于所述微核爆激光导引玻璃管中的氘丸。核聚变发生装置中对称设置于核反应井底部设置有激光发生器的高能激光房间，所述高能激光房间之间通过微核爆激光导引玻璃管连接；微核爆激光导引玻璃管中放置有氘丸，氘丸主要由激光聚变靶用空心玻璃微球以及氘气组成；所述氘气被充入所述空心玻璃微球中，设于高能激光房间内的激光发生器发射的激光沿着微核爆激光导引玻璃管照射到氘丸上；利用激光聚变冲击点火技术使氘丸发生聚变，促使氘丸产生聚变能量。

核反应井侧壁设置有用于控制核反应井内水位的水

阀；环形水库通过底部的支撑柱支撑，使得环形水库底部高于周围水平面；环形水库底部与所述发电装置之间用导流管连接，发电装置位于所述导流管下方。环形水库底部与核反应井顶部等高，且环形水库的内环侧壁在核反应井井口上方形成八字形喷口。

核聚变发电系统剖视图如图1所示。核聚變发电系统微核爆激光导引玻璃管星型连接结构示意图如图2所示。图1、图2标记说明：1—核反应井、11—氘丸、12—激光发生器、13—微核爆激光导引玻璃管、14—水阀、15—高能激光房间、2—环形水库、21—支撑柱、22—发电装置、23—导流管。

3 具体实施方式

图1表示本发明优选的一个实施方式所涉及的利用核聚变发电的系统的剖视结构图，该系统主要包括核反应井1以及沿着核反应井1设立的环形水库2。作为优选的，选址的位置是大海，在海里选水位比较合适的位置，用水泥建立一个核反应井1，以及沿着核反应井1设立的环形水库2。其中核反应井1底部还设置有核聚变发生装置，核聚变发生装置包括对称设置于核反应井底部的设置有激光发生器12的高能激光房间15，所述高能激光房间之间通过微核爆激光导引玻璃管13连接，所述微核爆激光导引玻璃管中放置有氘丸11，所述氘丸主要由激光聚变靶用空心玻璃微球以及氘气组成，所述氘气被充入所述空心玻璃微球中，设于高能激光房间内的激光发生器发射的激光沿着微核爆激光导引玻璃管照射到氘丸上。此外，环形水库的底部还设置有发电装置。

作为另一种方案，所述核聚变发生装置包括多个呈星型结构分布的高能激光房间，星型中心与各高能激光房间之间通过微核爆激光导引玻璃管连接，在星型中心处放置所述氘丸，有利于氘丸表面全部被激光发生器发出的激光束所覆盖，从而确保氘丸表面各部分受到均匀照射。图2所示为核聚变发生装置的微核爆激光导引玻璃管星型连接结构示意图。

4 系统安全与环境影响

比起核裂变，氢核聚变反应程式只产生中子辐射，这种辐射危害比铀等核燃料反应释放出的辐射危害要小得多，如果人类以后能实現氦3核聚变的话，则完全不会产生任何有害辐射。因此，即便发生核泄漏，也不会产生危害，非常安全。核裂变的反应是链式反应，即先裂变产生的中子导致后续燃料继续发生裂变；而中子数量总是过多的，为了不让裂变反应过于强烈而失控，反应堆需要利用“碳棒”来吸收中子；而一旦“碳棒”装置出现故障或者熔毁，裂变反应很容易失控并发生灾难性爆炸。

聚变反应不产生核废料，氢（氘、氚）聚变产物为氦4，氦4普遍存在于空气中，无任何害处，不需要花巨资处理核废料。而裂变产生的核废料有着极高的放射性，暴露在自然环境中，会对周围生命产生毁灭性后果[3]。

5 核聚变发电系统模型对大学物理教学的意义

核聚变的引入可以将多个知识点串联起来，使学生更好地掌握相关概念，如爱因斯坦质能方程、激光、粒子束、动量守恒等。以前的核研究中大多单纯地介绍核反应知识，没有比较理想的实验模型，这样学生在学习过程中容易机械地理解概念，孤立地看待相关现象。

学生学习大学物理，不仅学习物理的基础知识，同时要了解科技前沿发展，拓宽知识面，开阔科技视野。核聚变发电方法综合了多项理论和技术，是一个感受、学习科学研究方法的良好范例，也是一项复杂的工程，在研究过程中涉及科学和技术的结合、理论和实验的结合，是不可多得的研习科学研究方法的对象。这些科研方法、思路的熏陶，对学生未来从事科学、工程研究工作提供了很好的借鉴，有利于学生创造性思维的培养。

6 结语

当前，核聚变理论及应用是重要的前沿科技研究课题，尤其是利用核聚变发电技术更是当前世界各国大力发展投资的重要技术，核能源也是最具前景和应用价值的未来能源。本文提出的新方法是利用激光技术和激光聚变靶用空心玻璃微球实现核聚变，减少核裂变带来的污染以及危险，以及使用化石能源对环境造成的污染，提供一种无限的、清洁的、安全的新能源核聚变发电装置模型。并且该模型是对当代大学物理核研究教学中实践探索环节的有效补充，有利于学生对课程内容本身的掌握，以及培养学生的科研能力和能源意识。

参考文献

[1]吴宜灿，汪卫华，刘松林，等.聚变发电反应堆概念设计研究[J].核科学与工程，2005，25（1）：76-85.

[2]希物.我国核聚变研究开发的现状[J].中国核工业，

2006（12）：14-15.

[3]李韡.日本核聚变研究迈上新台阶[J].国外核新闻，

2013（5）：31-32.

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