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前沿物理学

核聚变

聚变把轻原子核结合成较重的产物。若存在正的质量亏损，就会释放能量；反应率强烈依赖温度和核反应截面。

两个带正电的原子核必须足够接近，使强核力压过库仑斥力。高温会增加速度分布的高能尾部；量子隧穿也很重要，因此并非每对反应粒子都必须经典地越过库仑势垒。

Q=(minitial−mfinal)c2Q = (m_{\mathrm{initial}}-m_{\mathrm{final}})c^2

定义: 反应Q值

Q>0 表示产物总静质量小于反应物；差值转化为产物动能，并视反应而定还会成为辐射。Q为正本身并不保证装置输出的有用能量大于消耗。

调节温度观察离子能量分布及可能参与反应的高能尾部。本图仅作说明，不计算真实反应率。

温度与约束

在聚变等离子体中，粒子密度 n、温度 T 与能量约束时间 τ_E 共同决定点火条件。劳森判据常以 nτ_E（或 nTτ_E）表示，其阈值取决于燃料和温度。热损失、辐射和杂质都会增加所需输入功率。

例题: 计算反应能

D + T → ⁴He + n 的 Q 值约为17.6 MeV。若发生一次反应，在质心系中两个产物的总动能约是多少？

解答

由能量和动量守恒，约为17.6 MeV（初始相对动能远小于Q时）。能量并非平均分配：中子约获得14.1 MeV，α粒子约3.5 MeV。

综合能量判据必须区分聚变功率与输入等离子体的外部功率。在氘—氚混合物中，若带电α粒子的能量能被约束足够久，它可自加热等离子体；中性中子则逃出磁约束并在包层中沉积能量。轫致辐射、湍流输运、与壁面的热交换以及热电转换效率也影响能量平衡。因此劳森条件是理想化模型中的必要条件，并不保证电站获得净能量增益。当前研究需要耦合粒子动力学、MHD稳定性、等离子体—材料相互作用以及氚燃料循环。

另一个设计约束是腔壁和包层所受的热与粒子负荷。高能中子会使原子位移，通过核反应产生氦并改变材料性质；包层还必须移除热量并增殖氚。寿命预测需结合辐照实验、中子输运模型和材料数据，并明确说明外推的不确定度。

快速检查

聚变反应中 Q>0 表示什么？

为什么等离子体温度不对应唯一的碰撞能量？

参考文献

  1. T. J. M. Boyd, J. J. Sanderson (2003). The Physics of Plasmas
  2. A. A. Harms et al. (2000). Principles of Fusion Energy