劉長(zhǎng)寧

河北省唐山市第一中學(xué)

高能粒子加速器與可控核聚變技術(shù)分析

劉長(zhǎng)寧

河北省唐山市第一中學(xué)

高能粒子加速器是最近三十年來(lái)物理學(xué)和量子力學(xué)的熱門研究方向，主要是采用高能設(shè)備，讓粒子獲得動(dòng)能，從而可以做一些高級(jí)別的核物理研究。這一技術(shù)客觀上促進(jìn)了可控核聚變技術(shù)的發(fā)展，使用可以自由操縱的粒子可以很好地實(shí)現(xiàn)核聚變的控制，本文對(duì)其展開探討。

高能粒子；加速器；可控核聚變

1 引言

從20世紀(jì)30年代到50年代后半期的20年時(shí)間里，加速器的能量增加了幾百倍到幾千倍。為尋找基本粒子，除了到宇宙線中去尋找外，就得到原子核內(nèi)部去尋找。原子核內(nèi)部存在非常強(qiáng)大的作用力，把基本粒子緊緊地結(jié)合在一起，因此研究基本粒子需要很大的能量。隨著加速器能量的增加，在實(shí)驗(yàn)室中所發(fā)現(xiàn)的基本粒子數(shù)目也增多了。粒子加速器的規(guī)模已有大約一個(gè)大型機(jī)器制造廠，其用電量相當(dāng)于一個(gè)中等城市。但是，盡管今日粒子加速器能量已經(jīng)夠大的了，可它仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)探索原子奧秘的要求，因此隨著人們對(duì)原子奧秘探索的深入，粒子加速器仍會(huì)不斷地改進(jìn)。使用加速器儲(chǔ)存環(huán)的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊些，半徑數(shù)米。環(huán)內(nèi)部束團(tuán)平均橫向尺寸在幾十厘米量級(jí)。采用低溫正離子團(tuán)，溫度越低越好以減少熱輻射損失，環(huán)內(nèi)離子團(tuán)有高占空比，平均流強(qiáng)高達(dá)百萬(wàn)安培量級(jí)，粒子能量處于遠(yuǎn)離相對(duì)論效應(yīng)的能區(qū)，即低能高流強(qiáng)低溫等離子流。使用超導(dǎo)鐵提供相應(yīng)的FQ聚焦系統(tǒng)以克服空間電荷效應(yīng)將等離子體束團(tuán)約束環(huán)內(nèi)。對(duì)撞區(qū)用高磁場(chǎng)聚焦壓縮束團(tuán)橫向尺寸至幾十微米量級(jí)以提升對(duì)撞亮度，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高速粒子對(duì)于核聚變具有一定的控制作用。

2 高能粒子加速器探析

高能粒子加速器是一種使用電磁場(chǎng)將帶電粒子推進(jìn)到近光速的機(jī)器。粒子物理學(xué)中使用大型加速器作為對(duì)撞機(jī)（例如CERN的LHC、日本的KEK的KEKB、布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的RHIC和Fermilab的Tevatron等高級(jí)對(duì)撞機(jī)），或用于研究冷凝物理學(xué)的同步加速器光源。較小的粒子加速器用于各種應(yīng)用，包括用于腫瘤學(xué)的粒子靶向治療，用于醫(yī)學(xué)診斷的放射性同位素生產(chǎn)，用于制造半導(dǎo)體的離子注入機(jī)和用于測(cè)量稀有同位素如放射性碳的加速器質(zhì)譜儀。目前世界各地運(yùn)行的加速器已超過(guò)30,000臺(tái)。粒子加速器有兩種基本類型：靜電加速器和電動(dòng)加速器。

靜電加速器使用靜電場(chǎng)來(lái)加速顆粒，最常見的類型是Cock?croft-Walton加速器和Van de Graaff加速器，例如普通老式電視機(jī)中的陰極射線管。這些器件中顆?？蛇_(dá)到的動(dòng)能是由加速電壓決定的，加速電壓受電擊穿的限制。另一方面，電動(dòng)或電磁加速器使用電磁場(chǎng)、磁感應(yīng)或振蕩射頻場(chǎng)來(lái)加速粒子。由于在這些磁場(chǎng)中，顆?？梢远啻瓮ㄟ^(guò)相同的加速場(chǎng)，所以輸出能量不受加速場(chǎng)強(qiáng)度的限制。這種機(jī)器是大多數(shù)現(xiàn)代大型加速器的基礎(chǔ)。粒子碰撞可以證明亞原子世界的結(jié)構(gòu)，20世紀(jì)加速器通常被稱為原子分離器，大多數(shù)加速器實(shí)際上推動(dòng)了亞原子粒子被發(fā)現(xiàn)。在氧化物燃料中存在強(qiáng)烈的溫度梯度，導(dǎo)致裂變產(chǎn)物遷移。鋯傾向于移動(dòng)到溫度最高的燃料顆粒的中心，而低沸點(diǎn)裂變產(chǎn)物移動(dòng)到顆粒的邊緣。顆粒很可能含有許多在使用過(guò)程中形成的小氣泡樣孔，氙遷移到這些空隙。這些氙氣中的一些會(huì)形成銫，因此許多氣泡含有大量的137Cs。這就說(shuō)明了核反應(yīng)和高速的粒子運(yùn)動(dòng)有著重要的聯(lián)系。

3 可控核聚變技術(shù)

在核物理學(xué)中，核聚變是兩個(gè)或多個(gè)原子核質(zhì)量接近以形成一個(gè)或多個(gè)不同原子核和亞原子粒子比如中子或質(zhì)子的反應(yīng)。產(chǎn)物和反應(yīng)物之間的碰撞表現(xiàn)為釋放大量的能量。質(zhì)量差異是由于反應(yīng)前后的原子核之間的原子結(jié)合能的差異而產(chǎn)生的。一般來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生比鐵-56或鎳-62更輕的核的融合過(guò)程通常會(huì)產(chǎn)生凈能釋放。這些元素分別具有每個(gè)核子最小的質(zhì)量和最大的結(jié)合能。輕核元素融合而釋放能量，而產(chǎn)生比這些元素更重的核的融合物將導(dǎo)致由所得核子保留能量，并且所得到的反應(yīng)是吸熱的。較輕的元素，如氫元素和氦元素，通常更易于融合聚變，而較重的元素，如鈾和钚則更易裂變。超新星可以產(chǎn)生足夠的能量將核熔合成比鐵重的元素。在物理學(xué)家弗里德里?！ず榈掳l(fā)現(xiàn)量子隧道之后，羅伯特·阿特金森和弗里茨·胡特曼斯利用輕質(zhì)元素證明，通過(guò)融合小核可釋放大量的能量。在早期進(jìn)行的歐內(nèi)斯特·盧瑟福的核蛻變實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，氫同位素的實(shí)驗(yàn)室融合首先由馬克·奧利芬特于1932年完成。軍事上面的核聚變研究始于20世紀(jì)40年代初，是曼哈頓計(jì)劃的一部分。大規(guī)模的核聚變首先在1952年11月1日在常春藤麥克氫彈試驗(yàn)中進(jìn)行。在1950年代開始認(rèn)真研究開發(fā)用于民用的受控?zé)岷司圩兗夹g(shù)，并持續(xù)到今天。

與可控核聚變技術(shù)相關(guān)聯(lián)的還有乏燃料的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)，這對(duì)于核聚變的可控性也是極為關(guān)鍵的。乏燃料是已經(jīng)在核反應(yīng)堆或者核電廠使用的核燃料，在普通熱反應(yīng)堆中不再用來(lái)維持核反應(yīng)，并且根據(jù)核燃料循環(huán)的觀點(diǎn)，它可能已經(jīng)具有不同的同位素成分。當(dāng)一個(gè)核反應(yīng)堆關(guān)閉并且核聚變鏈反應(yīng)已經(jīng)停止時(shí)，由于聚變產(chǎn)物的β衰變，燃料中仍然會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。因此，在反應(yīng)堆停機(jī)時(shí)，如果電抗器具有長(zhǎng)期穩(wěn)定的電力歷史，則衰減熱量將約為先前核心功率的約7%。關(guān)閉后約1小時(shí)，衰減熱量將約為之前功率的1.5%。一天之后，熱量降至0.4%，一周后將下降0.2%。隨著時(shí)間的推移，衰變熱產(chǎn)量將繼續(xù)緩慢下降。已經(jīng)從反應(yīng)器中取出的廢燃料通常儲(chǔ)運(yùn)在充滿水的乏燃料池中一年或更長(zhǎng)時(shí)間，以便將其冷卻并提供屏蔽其放射性。乏燃料池設(shè)計(jì)通常不依賴于被動(dòng)冷卻，而是要求水通過(guò)熱交換器被主動(dòng)泵送，只有在乏燃料池穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，才能夠做好核聚變的控制與管理工作。

4 總結(jié)

安全高效的粒子加速可以保證核聚變反應(yīng)有條不紊進(jìn)行，而且人們也更加地依賴于利用核能。但是在一定程度上，過(guò)度依靠核能也不完美，如果出現(xiàn)故障，那么將會(huì)使工程陷入大癱瘓之中。而且對(duì)于人員的要求也很高，要及時(shí)建立對(duì)粒子加速單元與核聚變控制系統(tǒng)加以維護(hù)，防止因?yàn)楣收隙绊懙皆O(shè)備和人員的安全。

[1]謝家麟.自由電子激光發(fā)展概況[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2008（01）

[2]李傳臚,劉永貴,黃流興,錢寶良.圓波導(dǎo)契倫柯夫自由電子激光流體描述[J].強(qiáng)激光與粒子束，2011（02）

[3]趙小風(fēng),楊福家.自由電子激光原理和進(jìn)展[J].核技術(shù)，2012（09）

[4]蔡根旺,賈啟卡.上海深紫外自由電子激光波蕩器的端部磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].強(qiáng)激光與粒子束，2015（10）

劉長(zhǎng)寧（2000-），男，漢，河北省唐山人，學(xué)歷：高中生，單位：河北省唐山市第一中學(xué)。