萬樹德

(中國科技大學(xué)電磁學(xué)教學(xué)組 安徽 合肥 230026)

1 熱核聚變

兩個輕的原子核聚合成一個重的原子核，同時放出能量的核反應(yīng)稱之為核聚變反應(yīng)．如氘氚聚變反應(yīng)生成氦和中子并釋放大量能量，如圖1所示．

圖1 氘氚核聚變示意圖

核聚變能比裂變能更為巨大，如圖2所示．

圖2 聚變能比核裂能變更大

主要核聚變反應(yīng)有

D+D→3He+n+1.27 MeV

D+D→T+p+4.04 MeV

D+T→4He+n+17.58 MeV

核聚變的點(diǎn)火溫度.使兩個原子核克服靜電勢能而相遇所需的熱運(yùn)動動能對應(yīng)的熱力學(xué)溫度稱為點(diǎn)火溫度．以H原子核為例，核子所帶電荷量為e，周圍的電場為

兩個原子核聚合所需的能量(動能)是將一原子核自無窮遠(yuǎn)處移至r～10-15m(核尺度)克服靜電力所做的功

自然界中發(fā)生的聚變反應(yīng)——太陽，對聚變反應(yīng)物的約束依靠的是萬有引力，如圖3(a)所示；人類已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的聚變反應(yīng)——?dú)鋸棧菤缧詺淦?，對聚變反?yīng)物的約束依靠的是自身慣性，如圖3(b)所示．人們就如何利用如此取之不盡，用之不竭聚變能，換句話說，就是如何實(shí)現(xiàn)受控核聚變，使聚變能受控緩慢釋放而被利用受到世界科學(xué)家重視．目前，受控核聚變研究裝置普遍利用磁場來約束高溫等離子體，如圖3(c)所示．典型實(shí)驗(yàn)裝置有托卡馬克、磁鏡、角向收縮裝置等．

圖3 聚變物質(zhì)的約束

1.1 托卡馬克裝置

托卡馬克(Tokamak)是由原蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)明的利用變壓器原理產(chǎn)生等離子體，并由強(qiáng)磁場約束、控制等離子體的裝置．Tokamak是由俄文“環(huán)形”、“磁場”及“容器”的前幾個字母組成．其主要部件有：真空室、縱場(環(huán)向場)磁體、極向場(垂直場)磁體等．如圖4所示．

圖4 托卡馬克裝置

(1)帶電粒子作環(huán)向運(yùn)動的離心力；

(2)縱向磁場內(nèi)側(cè)強(qiáng)外側(cè)弱，不均勻造成的橫向漂移；

(3)自身磁場的安培力．為了避免電流的擴(kuò)展，在環(huán)室外加一垂直磁場線圈，產(chǎn)生垂直環(huán)室平面的磁場B⊥，使等離子體電流受垂直場的安培力jp×B⊥的方向指向中心，安培力把Ip向內(nèi)推，使等離子體回到平衡位置，如圖5所示．

圖5 托卡馬克原理圖 圖6 托卡馬克放電波形和時序

各式各樣的磁場把等離子體約束在環(huán)形室內(nèi)，再通過等離子體電流的歐姆熱VlIp加熱等離子體，使其達(dá)到點(diǎn)火溫度T～109K．托卡馬克放電波形和放電時序如圖6所示．

1.2 磁鏡裝置

裝置中心軸兩端放置兩個線圈，通電流后產(chǎn)生兩端強(qiáng)中間弱磁場位形，稱作磁鏡裝置，如圖7所示．

圖7 磁鏡

帶電粒子被約束在磁場中，有兩個守恒量，帶電粒子速度

回旋運(yùn)動磁矩

可見，當(dāng)帶電粒子由弱場區(qū)向強(qiáng)場區(qū)運(yùn)動時，B增加，v⊥增加v‖減小，當(dāng)v‖→0時帶電粒子在強(qiáng)場區(qū)返回弱場區(qū)，強(qiáng)場區(qū)反射帶電粒子，叫做磁鏡．帶電粒子被約束在弱場區(qū)．

并非所有的帶電粒子都能被約束?。谌鯃鰠^(qū)v與B存在一個最小夾角θm，且

凡θ<θm的粒子都不返回，因速度的平行分量v‖較大，在強(qiáng)場區(qū)垂直速度v⊥達(dá)到最大時，平行速度v‖不等于零，粒子穿過強(qiáng)場Bm區(qū)而逃脫．凡θ>θm的粒子都返回，而被約束．磁鏡裝置部分地約束等離子體，終端損失不可避免．做成環(huán)形就不存在終端，這就演變成托卡馬克等其他類型的環(huán)形聚變裝置．另外，磁鏡裝置還有一不足之處是該裝置只能作為一個容器，存放等離子體，其中等離子體由外界注入，使其升溫還必須有輔助加熱手段．

1.3 角向收縮(θ-pinch)

裝置組成：電容器，開關(guān)，線圈，陶瓷真空室組成，如圖8所示．

當(dāng)開關(guān)觸發(fā)導(dǎo)通時，電容器對線圈脈沖放電，在真空室內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，與線圈電流方向相反，中心區(qū)域的磁場減小到零．感應(yīng)電流外側(cè)磁場反而增加，感應(yīng)等離子體電流受到向心的安培力，向中心壓縮到中心點(diǎn)，從而達(dá)到高溫高密度等離子體．在20世紀(jì)六七十年代該裝置就達(dá)到聚變點(diǎn)火溫度，在實(shí)驗(yàn)室測到聚變反應(yīng)產(chǎn)物中子．

圖8 角向收縮裝置

核聚變裝置還有仿星器、反場箍縮等．這些裝置與托卡馬克類似都是環(huán)形裝置．反場箍縮的縱向場很弱，靠環(huán)形真空室外厚導(dǎo)電殼來約束等離子體，當(dāng)?shù)入x子體電流發(fā)生改變或移動時，導(dǎo)電殼內(nèi)感應(yīng)出的渦流會抑制這種等離子體電流的改變或移動．仿星器的縱向磁場非常復(fù)雜，縱向磁場線圈及磁力線分布如圖9所示．

圖9 仿星器縱向磁場及力線

2 動能武器

2.1 電磁炮——軌道炮

組成：電容器，開關(guān)，軌道，如圖10所示．

圖10 電磁炮—軌道炮 圖11 打穿的裝甲

當(dāng)開關(guān)觸發(fā)導(dǎo)通時，兩道軌之間產(chǎn)生電弧，電容器對回路脈沖放電，電弧受自身磁場力——安培力F=Il×(B內(nèi)-B外)向前滑動，推動塑料球一起運(yùn)動，小球運(yùn)動方程為ma=Il×(B內(nèi)-B外)，出膛時具有很高的速度，可以對目標(biāo)產(chǎn)生強(qiáng)大的動能傷害，可以穿透裝甲．20世紀(jì)80年代本文作者有幸親眼見到我國電磁炮實(shí)驗(yàn)，用彈丸為30 g塑料小球打穿20 cm的鋼板，如圖11所示．

2.2 電磁炮——線圈炮

組成：多組電容器，多組開關(guān)，多組線圈，炮筒，如圖12所示．

圖12 電磁炮—線圈炮

當(dāng)開關(guān)觸發(fā)導(dǎo)通時，電容器對線圈脈沖放電，通過電磁感應(yīng)，金屬質(zhì)外殼的炮彈感應(yīng)的渦流產(chǎn)生的磁場與放電線圈電流產(chǎn)生的磁場極性相反，磁相互作用推動炮彈在炮堂向前運(yùn)動，通過多極放電加速，出堂速度可達(dá)第一宇宙速度(7.9 km/s)，也可以對目標(biāo)產(chǎn)生強(qiáng)大的動能傷害，是電磁炮的另一種形式，也稱為線圈炮．

美國人還利用它發(fā)射遮陽板遮擋太陽減小照射到地球的陽光，來對付地球變暖．研制一種晶片，陽光照射可發(fā)生多折射現(xiàn)象，把這種晶片灑向太空陽光通過它改變方向，從而減少照射到地球的光強(qiáng)．當(dāng)這種晶片研制出來后，利用線圈炮發(fā)射太空．實(shí)驗(yàn)證明線圈炮的發(fā)射成本比火箭發(fā)射成本低很多，出膛速度可以達(dá)第一宇宙速度，發(fā)射到太空沒有問題．但是晶片受強(qiáng)大慣性力的作用變成粉末狀，實(shí)驗(yàn)失?。?/p>

3 電磁冶金

電磁感應(yīng)原理被廣泛用于冶金生產(chǎn)．

(1)中頻(1000 Hz)冶煉爐.直接加熱被熔煉物質(zhì)，效率高，干凈．

(2)高頻(1000 Hz～1000 kHz)爐.用于熱處理——表面淬火．利用趨膚效應(yīng)使材料獲得內(nèi)柔外剛的特性．

(3)低頻(1～10 Hz)電磁攪拌.在冶金過程中使合金成份、熔體溫度均勻化．

(4)無接觸懸浮冶金

無接觸約束原理.在中頻交流電磁作用下，高導(dǎo)電率的熔體內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)渦流．渦電流作用有二：渦流產(chǎn)生的焦耳熱加熱熔體；渦流與線圈電流方向相反，受磁場的安培力對熔體產(chǎn)生指向內(nèi)部的約束力．如果該電磁約束力與靜壓力處處平衡，即可使熔體脫離與坩堝接觸，實(shí)現(xiàn)無接觸電磁約束熔煉，如圖13所示．

圖13 無接觸電磁約束原理

局部徑向壓強(qiáng)平衡方程.無接觸電磁熔煉過程

中被約束熔體外部形狀決定于熔體內(nèi)局部徑向壓強(qiáng)的平衡

pr+ph+pm=0

方程中：pr=Kσm是表面張力引起的附加壓強(qiáng)，ph=ρgH(r)是靜壓強(qiáng)．Pm稱之為電磁約束壓強(qiáng)．電磁約束壓強(qiáng)Pm是熔體內(nèi)渦流所受磁場安培力引起的，J×B是體安培力密度，即熔體內(nèi)單位體積所受的安培力．

把受電磁約束的熔體看作不可壓縮的靜止流體，并忽略表面張力．這時局部徑向壓強(qiáng)平衡為電磁約束壓強(qiáng)與靜壓強(qiáng)的平衡．熔體內(nèi)任意位置，靜壓強(qiáng)徑向梯度等于當(dāng)?shù)氐穆鍌惼澚γ芏龋淳植繅簭?qiáng)平衡方程的微分形式

▽rPh=J×B

將上式應(yīng)用在熔體h=0的底面上，從r點(diǎn)開始積分到熔體表面，可得熔體內(nèi)半徑r處相對熔體外的靜壓強(qiáng)差與熔體徑向單位面積所受安培力之和(電磁約束壓強(qiáng))相平衡的方程

這里用到H(r0)=0．其中r0是熔體底面半徑．在距離熔體底面高度為Z的不同平面均可列出類似的平衡方程，由此確定與之平衡的靜壓強(qiáng)，從而得到熔體高度H(r)隨r的關(guān)系，可以確定被約束熔體的外形．