對核聚變和受控熱核反應教學內容的商榷

摘要：對人民教育出版社2007年4月出版的普通高中課程標準實驗教科書《物理》選修1-2第二版教材中聚變和受控熱核反應內容進行了認真的探討。發現有個別值得商榷之處，提出一些改進的建議。

關鍵詞：教材；高中物理；核反應

中圖分類號：O531，G634 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）06-0013-02

一、引言

人民教育出版社2007年4月出版的普通高中課程標準實驗教科書《物理》選修1-2第二版教材很有特色，縱觀全書可以看出編輯這本書的有關工作人員付出的艱辛勞動和辛勤汗水。整本書材料翔實、概念清楚、物理圖像清晰、文字流暢易懂。注重了對學生創新性思維的引導和培養，有利于學生在學習的過程中對物理產生更為濃烈的興趣，是本很適合高中生學習的教科書。

在本書中僅有個別值得商榷之處。在細讀了本書第三章第四節裂變與聚變中有關“核聚變和受控熱核反應”之后，為了達到拋磚引玉的目的，現簡單闡述一下對本節的看法和觀點，以求和廣大讀者交流溝通，不足之處希望大家批評指正。

二、分析計算

本書55頁第二自然段第四行指明“當物質的溫度達到幾百萬攝氏度時，劇烈的熱運動使得一部分原子核具有足夠的動能，可以克服庫侖斥力，碰撞時十分接近，發生聚變。因此，聚變又叫熱核反應。熱核反應一旦發生，就不再需要外界給它能量，靠自身產生的熱就可以使反應進行下去。”

首先文中所指的“幾百萬”的反應發生溫度有待調查，在核聚變反應中包括受控核聚變反應，在受控核聚變反應中獲取能量的反應主要有如下幾種[1]。

2D+3T→4He+n

2D+2D→3T+p

2D+3D→3He+n

2D+3He→4He+p

其中以D-D反應為例：兩粒氘核都帶正電，要發生聚變，它們必須克服庫侖斥力，彼此接近到原子核內核子與核子之間的距離（即10-15m）。此時庫侖勢能大約E≈10-13焦耳。把此值作為熱運動[2]的平均能量■KT（k為玻爾茲曼常數[3]），便可算出T=1010K。但熱運動中能量是按照統計分布的，考慮到隧道效應，可算出當反應溫度達到108~109K時就可以發生聚變反應。但這依然是相當高的溫度，由此可見，受控聚變反應對溫度的要求是十分苛刻的。目前在中科院的有關核聚變的最先進的實驗裝置EAST（先進實驗超導托卡馬克）在高功率加熱下溫度將超過一億度[4]，并非能在“幾百萬”的溫度下就能夠使核聚變順利的進行下去。即使對恒星中的不受人為控制的核聚變反應而言，也不是在幾百萬度就能發生的。

其次，本節中說到“熱核反應一旦發生，就不再需要外界給它能量，靠自身產生的熱就可以使反應進行下去。”這一句話可以完善。

在受控核聚變反應中，若想使反應持續進行下去，至少需滿足以下條件：聚變反應釋放的能量與產生并維持高溫等離子體所需的能量相等，即滿足“勞遜條件”[5]。EAST裝置在運行時需由外界提供巨大的能量，以支持核聚變反應的持續進行，并且EAST的最長持續運行時間為1000秒。同時書中所述的反應條件也不夠具體，在受控核聚變反應中需要做到不斷清除反應生成的無用的產物■■He和■■n，以使反應順利正常的進行下去。在恒星中不受控的核聚變反應也并非一直能持續下去。

本書此部分55頁右下角小字部分指出“幾十億年來，太陽每秒輻射出的能量約為3.8×1026J，相當于一千億億噸煤燃燒所放出的能量，其中20億分之一左右的能量被地球吸收。”但是本書的56頁最上方的“各種能源的產能值”這一表格中給出的煤（燃燒）的產能值為3.3×107J/Kg。而標準煤的發熱量為7000大卡/千克，相當于2.9727×107J/Kg，多數煤達不到標準煤的發熱量[6]。由此可以看出書中所給的數據有一些不妥。可以得出太陽每秒輻射的能量相當于一億億噸標準煤燃燒所放出的能量。由此可見書中所給的“一千億億噸”這一數據值得商榷，建議改為“一千億億公斤”。

本書56頁最后一段“總的來說，實現受控核聚變還有一段很長的路要走。一旦能夠穩定地輸出聚變能，世界上將不再有‘能源危機’。”這一段文字需要仔細斟酌。

也許暫時能夠說如果掌握了受控核聚變的技術，將減輕日益增長的“能源危機”帶來的壓力。但是，到目前為止人類還不知道核聚變元素的含量的減少會對地球帶來怎樣的影響，因此還不能太過于樂觀。例如使用化石能源，人類向地球排放了大量的二氧化碳，多年前人們并未察覺到這一舉措給地球帶來的負面影響，直到現今才日益重視“溫室效應”。因此，仍需以全面的、辯證的眼光去看待對于核能的利用這一問題。鑒于核聚變反應中消耗掉的元素的難以再生這一事實，所以還需要進一步研究這些元素含量的減少對地球環境的影響。

三、總結

雖然此章節的內容屬于選修內容，其主要目的是為了拓寬學生的視野，激發學生學習物理的興趣，但如果本章節內容更為準確一些可能更適合學生的閱讀。

參考文獻：

[1]朱士堯.核聚變原理[M].合肥：中國科學技術大學出版社，1992：5.

[2]覃育英.氣體分子熱運動的能量[J].貴州教育學院學報，1987，（3）：91-93.

[3]董海寬.波爾茲曼常數實驗數據處理方法[J].渤海大學學報，2008，29（4）：373-376.

[4]中國科學院等離子體物理研究所中國科學院基礎科學局.全超導托卡馬克核聚變實驗裝置[J].大科學裝置，2008，23（5）：474-477.

[5]王宏章.產生零功率的熱核聚變堆第二判據[J].核聚變與等離子體物理，1983，3（2）：91-97.

[6]賈共鵬.能源折射標準系數的合理選擇[J].冶金能源，2011，（1）：3-4，11.