磁約束核聚變關鍵能量轉換部件的磁流體力學探究

尹嵐　饒益花

摘 要：新科技革命的到來，現代工業化生活所耗費的能量大部分來源于不可再生能源，這些能源非常有限，一旦耗盡，世界將會面臨一場關于能源短缺的浩劫。近年來我國的磁約束核聚變用于工程技術研究和物力體力學研究方面取得了相當可觀的成績，該技術在很大程度上可以解決能源危機問題。本文詳細闡述了磁約束核聚變的相關概念，分析了磁約束聚變與關鍵能量轉換部件裝置類別，重點介紹了核聚變反應堆以及磁流體力學實踐運用。

關鍵詞：磁約束核聚變 磁流體力學 關鍵能量轉換部件

中圖分類號：O361.3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（a）-0001-01

當今世界，無論是工業生產還是日常生活，所用到的能源絕大部分是來源于不可再生的化石燃料資源，這些不可再生的資源非常有限，現今許多國家正面臨嚴峻的能源短缺問題。因此，核聚變能的運用在解決能源危機問題方面意義重大。磁約束核聚變作為可控核聚變的種類之一，在克服核聚變反應物的缺陷時又能夠保證散發出強大的能源供應，目前世界各國相繼投入了對磁約束核聚變的研究，陸續建立了不同磁場位置和形體的實驗裝置，重點研究磁約束核聚變關鍵能量轉換部件的磁流體力學。

1 磁約束核聚變概念分析

磁約束核聚變是一種結合磁場引力和高熱等離子體能量來實現核聚變反應的高科技，這個步驟的具體做法是，首先對已知燃料進行加熱處理，讓燃料變成等離子體形態，然后利用磁場引力的作用，抑制住高熱等離子中的帶電粒子，讓帶電粒子呈現螺旋狀線性運動，最后對等離子體進行再次高溫加熱，直到發生核聚變反應。

2 磁約束聚變與裝置類別分析

在20世紀六七十年代，磁約束等離子燃燒核聚變研究已經經過了多次嘗試和研究，依然取得了許多突破性的進展，世界各國相繼創建了許多種功能各異、花樣繁多的用于實現磁約束等離子燃燒核聚變反應的科學實驗裝置，主要有托卡馬克、多極場、仿星器、磁場鏡等不同磁場位形的裝置。這些高科技試驗裝置的創建目的就是為了研究使磁約束等離子體的穩定性發生改變以及能量損耗的形成原理，并力圖尋找出克服高溫等離子體不穩定性和能量損耗的方法。為實現磁約束核聚變反應常用的裝置是托卡馬克裝置，這個裝置主要起到引流、等離子高溫加熱等作用，與其它裝置相比較而言，托卡馬克污染較少、安全性更高、運行穩定等優勢。托卡馬克是一種圓狀環形強力磁場裝置，由于其結構造型特殊，圓狀環形的強力磁場以及極向磁場的相對穩定作用，使得高溫等離子體的穩定性加強，抑制高溫等離子體中帶電粒子的消耗，并且通過高溫等離子體中的帶電粒子實現對等離子體的抑制、穩定以及運動方向等方面的控制，采用中性束攝入以及高溫頻率波加熱裝置對等離子體進行控制，將等離子體中帶電粒子電流維持在未消耗狀態。目前托卡馬克已經成為磁約束反應研究的重點使用裝置，并將成為最有可能實現核聚變反應走向商業化運作的有效途徑。

3 聚變反應堆簡述

核聚變能源作為一種能量巨大、環保、安全、原材料易取不盡的新興能源，在解決世界普遍面臨的能源危機和環境污染問題方面意義重大。核聚變反應發生的首要條件就是必須在高溫條件下進行，因為高溫條件下的等離子體以及質量較輕的原子核能夠積聚而成質量較重的原子核，最后爆發整體能量。核聚變反應能通過對等離子體內的帶電粒子進行控制，使其釋放電能，這個過程中受控核聚變是最至關重要的環節。在核聚變反應中等離子體自身溫度相當高，能超越一億度，沒有容器能夠這巨大的高溫面前存活，因此必須通過磁約束方式或者慣性約束方式將等離子體的溫度控制在一定的范圍。而常用的托卡馬克裝置就屬于一種磁約束核聚變反應堆。目前核聚變反應用于發電領域非常廣泛，發電效率極高。

4 磁流體力學分析

4.1 磁流體力學概念

磁流體力學是一門將流體力學與電動力學相互結合著重研究電流體和電磁場的兩者之間相互作用的學科。因為帶電粒子的導電流體在電磁場范圍內活動過程中，導電流體會產生一定的電流，而電流與電磁場會發生作用，產生洛倫磁力，流體運動將會發生變化，最終引起電磁場產生變化。磁流體力學就是研究力學效應和電磁效應之間相互作用的學科，比如研究太陽黑子變化、磁約束聚變化學工業中的置換劑等。

4.2 磁流體力學的運用

磁約束核聚變的關鍵能量轉換部件中，有關磁流體力學的運用便現在能量轉換裝置上面。以包層內鋰鉛流體力能為例，包層內部鋰鉛流體是一種磁約束核反應堆發生核聚變的能量載體，其能量的存儲和釋放都是靠包層內部鋰鉛來實現的。處于高溫狀態下的包層鋰鉛流體對外壁容器裝置具有強大的侵蝕作用，因此為了反侵蝕，必須控制包層內部的鋰鉛流體溫度，提高外壁容器的承受的溫度限度。包層內的鋰鉛流體在磁場范圍中活動時會引發磁流體力學反應，影響流體形態和流體運動速度，改變傳熱性質結構材料的熱應力分布狀況，同時對結構材料的侵蝕性以及氚性質結構材料的滲透性產生影響。在磁約束核聚變反應堆的包層中，主要能量轉換部件內部的金屬電力流動在強大的磁場作用下會發生大范圍的三維流動過程以及傳熱傳質變化過程。因為金屬電力磁流動力是研究包層內部鋰鉛液態能量轉換的關鍵途徑，是值得研究的課題。因此磁流體力學在研究包層內的磁流體力流動和傳熱傳質過程中時，表現為使用物理場作用、磁場強度巨大、流體通道三維幾何變化形態多樣、鋰鉛流體不透明等特征。

5 結語

磁約束核聚變作為一種能夠控制帶電粒子的溫度防止能量消耗的核聚變反應對裝置，在提高核聚變釋放的能源利用效率方面具有重要作用。包層是磁約束核聚變中能量轉換部件之一，擔任著能量轉換和傳遞的責任，因此對包層內部的鋰鉛流體的磁流體力學的反映研究能夠找到能量轉換的原理和改善能量轉換的方式和途徑，完善包層設計，提高能量轉換效率，防止氚流體的滲透以及容器外壁的被腐蝕，通過降低溫度和壓力，減少結構材料表面溫度，從而避免容器結構材料被侵蝕。

參考文獻

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