高能粒子加速器與可控核聚變技術分析

劉長寧

河北省唐山市第一中學

高能粒子加速器與可控核聚變技術分析

劉長寧

河北省唐山市第一中學

高能粒子加速器是最近三十年來物理學和量子力學的熱門研究方向，主要是采用高能設備，讓粒子獲得動能，從而可以做一些高級別的核物理研究。這一技術客觀上促進了可控核聚變技術的發展，使用可以自由操縱的粒子可以很好地實現核聚變的控制，本文對其展開探討。

高能粒子；加速器；可控核聚變

1 引言

從20世紀30年代到50年代后半期的20年時間里，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，就得到原子核內部去尋找。原子核內部存在非常強大的作用力，把基本粒子緊緊地結合在一起，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，在實驗室中所發現的基本粒子數目也增多了。粒子加速器的規模已有大約一個大型機器制造廠，其用電量相當于一個中等城市。但是，盡管今日粒子加速器能量已經夠大的了，可它仍然遠遠不能適應探索原子奧秘的要求，因此隨著人們對原子奧秘探索的深入，粒子加速器仍會不斷地改進。使用加速器儲存環的結構，結構緊湊些，半徑數米。環內部束團平均橫向尺寸在幾十厘米量級。采用低溫正離子團，溫度越低越好以減少熱輻射損失，環內離子團有高占空比，平均流強高達百萬安培量級，粒子能量處于遠離相對論效應的能區，即低能高流強低溫等離子流。使用超導鐵提供相應的FQ聚焦系統以克服空間電荷效應將等離子體束團約束環內。對撞區用高磁場聚焦壓縮束團橫向尺寸至幾十微米量級以提升對撞亮度，實驗發現，高速粒子對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將帶電粒子推進到近光速的機器。粒子物理學中使用大型加速器作為對撞機（例如CERN的LHC、日本的KEK的KEKB、布魯克海文國家實驗室的RHIC和Fermilab的Tevatron等高級對撞機），或用于研究冷凝物理學的同步加速器光源。較小的粒子加速器用于各種應用，包括用于腫瘤學的粒子靶向治療，用于醫學診斷的放射性同位素生產，用于制造半導體的離子注入機和用于測量稀有同位素如放射性碳的加速器質譜儀。目前世界各地運行的加速器已超過30,000臺。粒子加速器有兩種基本類型：靜電加速器和電動加速器。

靜電加速器使用靜電場來加速顆粒，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中的陰極射線管。這些器件中顆?？蛇_到的動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，電動或電磁加速器使用電磁場、磁感應或振蕩射頻場來加速粒子。由于在這些磁場中，顆?？梢远啻瓮ㄟ^相同的加速場，所以輸出能量不受加速場強度的限制。這種機器是大多數現代大型加速器的基礎。粒子碰撞可以證明亞原子世界的結構，20世紀加速器通常被稱為原子分離器，大多數加速器實際上推動了亞原子粒子被發現。在氧化物燃料中存在強烈的溫度梯度，導致裂變產物遷移。鋯傾向于移動到溫度最高的燃料顆粒的中心，而低沸點裂變產物移動到顆粒的邊緣。顆粒很可能含有許多在使用過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形成銫，因此許多氣泡含有大量的137Cs。這就說明了核反應和高速的粒子運動有著重要的聯系。

3 可控核聚變技術

在核物理學中，核聚變是兩個或多個原子核質量接近以形成一個或多個不同原子核和亞原子粒子比如中子或質子的反應。產物和反應物之間的碰撞表現為釋放大量的能量。質量差異是由于反應前后的原子核之間的原子結合能的差異而產生的。一般來說，產生比鐵-56或鎳-62更輕的核的融合過程通常會產生凈能釋放。這些元素分別具有每個核子最小的質量和最大的結合能。輕核元素融合而釋放能量，而產生比這些元素更重的核的融合物將導致由所得核子保留能量，并且所得到的反應是吸熱的。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。超新星可以產生足夠的能量將核熔合成比鐵重的元素。在物理學家弗里德里希·洪德發現量子隧道之后，羅伯特·阿特金森和弗里茨·胡特曼斯利用輕質元素證明，通過融合小核可釋放大量的能量。在早期進行的歐內斯特·盧瑟福的核蛻變實驗的基礎上，氫同位素的實驗室融合首先由馬克·奧利芬特于1932年完成。軍事上面的核聚變研究始于20世紀40年代初，是曼哈頓計劃的一部分。大規模的核聚變首先在1952年11月1日在常春藤麥克氫彈試驗中進行。在1950年代開始認真研究開發用于民用的受控熱核聚變技術，并持續到今天。

與可控核聚變技術相關聯的還有乏燃料的儲運技術，這對于核聚變的可控性也是極為關鍵的。乏燃料是已經在核反應堆或者核電廠使用的核燃料，在普通熱反應堆中不再用來維持核反應，并且根據核燃料循環的觀點，它可能已經具有不同的同位素成分。當一個核反應堆關閉并且核聚變鏈反應已經停止時，由于聚變產物的β衰變，燃料中仍然會產生大量的熱量。因此，在反應堆停機時，如果電抗器具有長期穩定的電力歷史，則衰減熱量將約為先前核心功率的約7%。關閉后約1小時，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%。隨著時間的推移，衰變熱產量將繼續緩慢下降。已經從反應器中取出的廢燃料通常儲運在充滿水的乏燃料池中一年或更長時間，以便將其冷卻并提供屏蔽其放射性。乏燃料池設計通常不依賴于被動冷卻，而是要求水通過熱交換器被主動泵送，只有在乏燃料池穩定運行的情況下，才能夠做好核聚變的控制與管理工作。

4 總結

安全高效的粒子加速可以保證核聚變反應有條不紊進行，而且人們也更加地依賴于利用核能。但是在一定程度上，過度依靠核能也不完美，如果出現故障，那么將會使工程陷入大癱瘓之中。而且對于人員的要求也很高，要及時建立對粒子加速單元與核聚變控制系統加以維護，防止因為故障而影響到設備和人員的安全。

[1]謝家麟.自由電子激光發展概況[J].原子能科學技術，2008（01）

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

[3]趙小風,楊福家.自由電子激光原理和進展[J].核技術，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構設計[J].強激光與粒子束，2015（10）

劉長寧（2000-），男，漢，河北省唐山人，學歷：高中生，單位：河北省唐山市第一中學。