Question

未来人类要通过可控热核反应取得能源，要持续发生热核反应，必须把温度高达几百万摄氏度以上的核材料约束在一定的空间内．约束的办法有多种，其中技术上相对较成熟的是用磁场约束核材料，称为“托卡马克”装置．如图所示为这种装置的简化模型：有环形边界的匀强磁场（b区域）围着磁感应强度为零的圆形a区域，a区域内的离子向各个方向运动，离子的速度只要不超过某值，就不能穿过环形磁场的外边界而逃逸，从而被约束．
设环形磁场的内半径R₁=0.50m，外半径R₂=1.0m，若磁场的磁感应强度B=1.0T，被约束的离子比荷=4.0×10⁷C/kg．
（1）完成核反应方程：→+______

2He+

1 1

H

Answer

（1）离子进入磁场由洛伦兹力提供向心力，半径r=，离子速度越大，半径越大．若a区域中沿半径OM方向射入磁场的离子不能穿过磁场，轨迹半径最大时，轨迹与磁场外边界圆相切，由几何知识求出轨迹圆的半径，再由半径公式求速度的最大值．
（2）粒子沿环状域的内边界圆的切线方向射入磁场时，此时的轨道半径为最小的轨道半径，此时粒子若不能出磁场，则所以粒子都不会出磁场，根据几何关系求出轨道半径，再通过轨道半径公式求出最大的速度．
【解析】
（1）核反应方程中，质量数守恒，核电荷数守恒，所以有：
→
（2）速度越大，轨迹圆半径越大，要使沿0M方向运动的离子不能穿越磁场，则其在环形磁场内的运动轨迹圆中最大者与磁场外边界圆相切    
设轨迹圆的半径为r1，则：   
代入数据解得  r1=0.375m          
设沿该圆运动的离子速度为v1，
即 
代入数据得v1=1.5×107m/s                    
（3）设离子以v2的速度沿与内边界圆相切的方向射入磁场且轨道与磁场外圆相切时，则以该速度沿各个方向射入磁场区的离子都不能穿出磁场边界  （也可用图形表达   1分）
设轨迹圆的半径为r2，则m              
设磁场的磁感强度为B⊃1;，由 B⊃1;=
代入数据得     B′=2.0T    
答：（1）→
（2）速度最大为v1=1.5×107m/s                    
（3）则b区域磁场的磁感应强度B至少要有2.0T．