Question

托卡马克(Tokamak)是一.种复杂的环形装置，结构如图甲所示。环心处有一欧姆线圈，四周是一个环形真空室，真空室外排列着环向场线圈和极向场线圈，其中欧姆线圈的作用一是给等离子体加热以达到核聚变所需的临界温度；二是产生感应电场用以等离子体加速。同时，极向场线圈通电后提供的极向磁场与环向场线圈通电后提供的环向磁场将高温等离子体约束在真空室内，促使核聚变的进行。如图乙所示为环形真空室简化图，其内径为R₁=2 m、外径为R₂=5 m，S和S'为其截面关于中心对称。假设约束的核聚变材料只有氘核()和氚核()，且不考虑核子间的相互作用，中子和质子的质量差异以及速度对核子质量的影响，核子一旦接触环形真空室壁即被吸收导走。(已知质子的电荷量为 C；质子和中子质量均为 kg)。试回答：

(1)氘核()和氚核()结合成氢核()时，要放出某种粒子，同时释放出能量，写出上述核反应方程；

(2)欧姆线圈中，通以恒定电流时，等离子体能否发生核聚变(“能”或“不能”)，并简要说明判断理由；

(3)若关闭欧姆线圈和环向场线圈的电流，当极向磁场为多大时，从垂直于S截面速度同为的氘核()能够全部通过S'截面；

(4)若关闭欧姆线圈和环向场线圈的电流，当极向磁场在某一范围内变化时，垂直于S截面速度同为的氘核()和氚核()能够在S'截面要有重叠，求磁感应强度B的取值范围。

Answer

(1)；(2)不能；(3)；(4)

【解析】

(1) 氘核()和氚核()结合成氢核()的核反应方程：

(2)恒定电流产生恒定磁场，而恒定磁场无法产生感生电场，故离子无法被加速，因此不能发生核聚变反应；

(3)在极向磁场的作用下，氘核将从截面出发做匀速圆周运动，当运动半径为：时，能够全部通过截面；

根据牛顿第二定律可得：

可得：

代入数据可得：

(4 )设氘核和氚核在磁场中的轨迹半径分别为和，则根据半径公式，两者满足：

由图可得，要使能够在截面有重叠，须满足：

为使交叠区域在截面内，有：

通过列式计算得到需满足：

根据公式：

代入数据解得：