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南 京 理 工 大 学
《新能源技术》课程报告
姓
名
学 号： 自动化学院 电气工程
受控核聚变的研究发展
第8组 核能
学院(系): 专 业: 题 目: 组
别
任课教师 硕士导师
2015年6月16号
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受控核聚变的研究发展
摘要：本文首先概述了受控核聚变能源的发展状况。接下来分析了受控核聚变的定义，以及当今受控核聚变的主要研究途径和面对的难题。磁约束核聚变和惯性约束核聚变是当今研究受控核聚变的两种主要研究途径。在磁约束核聚变中，本文首先讲解了该方式的原理。然后分析了托卡马克装置的工作原理。接着分析了我国磁约束核聚变的发展。在惯性约束核聚变中，首先讲解了该方式的基本原理。然后介绍了美国的NIF装置的发展状况，以及我国神光工程在约束核聚变中研究。人们研究核聚变的脚步依然在向前迈着，不久的将来一定能实现可控的核聚变。 关键词： 受控核聚变；磁约束核聚变；惯性约束核聚变
Research and development of controlled nuclear fusion
ABSTRACT：This paper tells the development of controlled nuclear fusion energy at the first. Then it analyzes the definition and the main research methods and the problems of controlled nuclear fusion. Magnetic confinement fusion and inertial confinement fusion are two main research approaches in the study of controlled nuclear fusion. This paper explains the principle of magnetic confinement fusion firstly. Then it analysis the working principle of tokamak. It also analyzes the development of magnetic confinement nuclear fusion in China. In the inertial confinement fusion, the paper firstly explains the basic principle of the method. Then this paper introduces the development of the NIF device in American and SG engineering in nuclear fusion research in China. People still insist on the study of nuclear fusion, people will be able to achieve controlled nuclear fusion in the future.
KEYWORDS：controlled nuclear fusion; magnetic confinement fusion; inertial confinement fusion
1 引言 解决这些复杂的技术问题，整个世界的能源问
能源与生活息息相关。我们不得不承认，题将将得到彻底的解决。正因为核聚变有着长我们正面临着前所未有的能源危机。开发利用远的意义，世界发达国家不断地投入大量的人新能源已是迫在眉睫的任务了。当前，核能就力，物力和财力对它进行研究开发。 是新能源开发中的一个重要主角。核能的来源2 受控核聚变的发展背景 有裂变和聚变。裂变已经广泛用于发电领域。核聚变释放着巨大的能量，从20世纪50全球的核电站已达到400多座。由于核聚变反年代开始，人们就没有停止它的研究。利用核应时需要极高的温度，因此核聚变的实现是一聚变制造氢弹不是人类的最终目的，和平利用件十分复杂且非常困难的事情。对于核聚变发核聚变才是长远的目的。 电，我们还有一段相当长的距离要走。但是核2.1 核聚变反应 聚变和核裂变比较有两个重大的优点：一是核核聚变是指利用质量小的原子，如氢的同聚变不会产生长期和高水平的核辐射，不会留位素氘和氚，在一定的条件下（如超高温和高下核废料，二是地球上蕴藏的核聚变原料比核压）发生的原子核的相互聚合作用，生成新的裂变的原料要多的多。按目前世界的能量消耗，重原子核的反应。它的中间过程中，发生了质地球上蕴藏的核聚变能量，可以让全球使用量亏损，由爱因斯坦的质能方程，可以得知反100亿年。 应中存在着能量的释放。太阳释放的能量，就
现在，我们还面临着如何控制核聚变的过是通过大量的轻核聚变产生的，并且以光的形程和如何将热量引出来进行发电的难题。一旦式向外释放。反应如图1所示。
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图 1 核聚变反应 采用氘和氚发生核聚变反应时，其反应的方程式如下： D?T?412He?0n?17.6MeV 从这个反应方程式可以看出，反应物的质量大于生成物的质量。中间过程发生了质量亏损，这些亏损的质量转化为17.6MeV能量。地球上氘的含量极为丰富，1L的水中就含有0.03克的氘。地球拥有13亿8600万立方千米的水资源，蕴藏着11.47?1031J 的能量。这些能
量足够我们使用百亿年。 2.2 受控核聚变 氢弹的爆炸主要就是核聚变。但是它是利用原子弹爆炸时，产生的高温高压环境，使它里面的氘和氚发生了核聚变反应，释放了巨大的能量。但是这种瞬间的爆炸性能量是无法控制的。如果我们能对聚变时放出的能量加以控制，把它作为社会生产和人类生活用的能量，我们就实现了受控核聚变。在《蜘蛛侠2》中章鱼博士所使用的能源，就是受控核聚变。 2.2.1 受控核聚变的研究途径 从上世纪50年代到现在，人们倾注了大量的精力来研究核聚变。现在我们仍然认为离实现受控核聚变发电还有相当长的路要走。科学家保守估计，我们要建成核聚变发电站，至少要等30年时间。在这研究的过程中，人们提出了各种各样的设想，建造的装置也是各种各样的。但是，从目前来看，我们对受控核聚变的研究途径主要分为两个大类：磁约束核聚变（magnetic confinement fusion , MCF ）和惯性约束核聚变（inertial confinement fusion ,ICF）。本文将在第3节和第4节中对它们进行介绍和分析。但是，不管是MCF和ICF，它们都还只是实验用的装置。
它们离真正的经济应用，还是有相当长的距离。里面还有各种技术难题要解决。 2.2.3 实现受控核聚变的难题
氘核和氚核都带正电荷，正常状态下，它们是互相排斥的。因此要想把这两个带正电的原子核聚合起来，需要用很大的能量才能使它们克服相互之间的斥力。当把聚变的核原料加热到很高的温度时（1亿度左右），氘和氚有着足够大的动能。但这样还只是提供了碰撞的
速度，还应该对核原料进行约束，使它们达到
足够高的密度。这样就可以使氘和氚有了足够
大可能进行碰撞发生聚变。这就是实现氘核和氚核聚合的方法。
发现实现受控核聚变是相当困难的。下面本文
从上面对聚变发生的条件进行分析，可以
将讨论受控核聚变面对的难题: 1）等离子体的约束问题。聚变的核原料经过高温高压处理后，形成了等离子体。由于等离子体是一个高度复杂的多体系统，其中不仅有电磁相互作用，各种波粒相互作用，同时还
有非线性的湍流问题。图2展示了等离子体内部结构的复杂性。要想掌握这些等离子体的规律，需要大量的人力，物力和财力。
图 2 物质的四种状态 2）点火问题和材料问题。要想启动核聚变反应，需要1亿度的高温环境。核聚变发生后，
通过控制，它自身产生的能量可以维持反应的进行。首先，怎么样产生1亿度的高温，这已经是一个很难的技术问题。另一个就是材料问题，什么材料能经受得住1亿度的温度。在约束等离子体时，需要强大的磁场。强大的磁场是由高电流产生的，这就要求所用的导体为超导材料，目前还没有解决高温超导材料的问题。图3列出了高温超导体材料的研究，现在高温超导体材料的最高临界温度为165K，还是很低。 3
图 3 高温超导材料发展
3）中子的辐射问题。氘和氚发生核聚变时，会产生大量的中子。材料被中子辐射后，就会产生辐射问题。而且这些中子会损坏反应堆材料。这是必须考虑的辐射屏蔽问题。
上面是受控核聚变面对的3个大难题，当然，受控核聚变面临的技术问题还不止这些。 3 磁约束核聚变
磁约束核聚变的大致过程为： 首先，在处于热核反应的超高温度下，氘，氚等轻原子核和它们的自由电子形成了等离子体。然后再利用特殊形态的磁场将高温等离子体进行约束和压缩，使它们达到受控核聚变的点火条件，实现连续的核聚变反应。点火条件是指：
1)反应堆的温度高于108K；
2)等离子体的密度要大于1020个每立方米；
3)约束的时间要大于1s；
通过磁约束核聚变实现受控核聚变，是目前为止，人们投入最多，研究最深入的一种核聚变途径。其中，托卡马克装置就是磁约束核聚变中的一个重要角色。 3.1 托卡马克装置
托卡马克（Tokamak）是前苏联的库尔恰托夫研究所的科学家阿莫维奇等人在上世纪50年代发明的。它是一种利用磁约束实现受控核聚变的环形容器。它的名字是由4个单词的首2位字母组成，即环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnet)、线圈(kotushka)。经过了60多年的努力，利用托卡马克进行可控的核聚变，是可行的。但是它的相关的结果都是以断脉冲的形式产生的，与实际生活中连续运行还
是有较大的差距。现在，超导技术已经应用在了托卡马克的线圈上了，这是受控核聚变的一个重大突破。目前，建造超导装置进行核聚变的研究已成为国际的一股热潮。 3.1.1 托卡马克装置的工作原理
图4 托卡马克装置示意图
图 5 托卡马克装置的实物图
从4和图5，可以看出，托卡马克装置的主体由2部分组成，即磁场系统和真空系统。
磁场系统有2个主要的作用。纵场线圈的主要作用是用来产生强大的纵向磁场，将加热后的等离子体约束在真空管里面，使之能发生碰撞，进而发生核聚变反应。
聚变的第一步就是要使原料处于等离子态，等离子态是物质的第四态。这种形态下的物质是一种充分电离的。它的整体呈电中性。在等离子体中，由于高温，它的电子已经拥有足够的动能来摆脱原子核的束缚。这时，原子核完全暴露，为原子核的碰撞准备了条件。当等离子体被加热到几千万甚至几亿度时，原子核之间就可以摆脱斥力，聚合在一起，形成聚变反应。如果这时还有足够的密度和足够的热能，那么这种反应就可以稳定地持续运行下去。常用的加热系统如下：
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1）欧姆加热。磁场的变化产生感应电动势，从而在等离子体里面生成电流。等离子体本身有电阻，会发生欧姆加热。其道理和电阻元件一样。
2）微波加热。向托卡马克内发射电磁波，利用电磁波来加热等离子体。该原理和我们家用的电磁微波炉很像。
3）中性束加热。中性束加热实际上是一个能量的传递过程，向托卡马克装置内注入高能的粒子，然后高能的粒子将它的能量传递给等离子体，实现了加热。这种加热方式要先用加速器对粒子进行加速，因此成本比较高。
真空系统。真空室就是指那个环形容器。真空室的墙壁一般是用薄壁不锈钢做成。这不但要考虑足够的机械强度，还必须有一定的缝隙，以保证磁场的渗透。抽气系统一般采用了涡轮分子泵。这种设备可以将真空室的压强为
10?6Pa以下的超真空。
3.2 我国磁约束核聚变的发展
从上世纪50年代，我国就进行了核聚变的研究，主要集中在西南物理研究院和中科院等离子体物理研究所。1984年，我国的环流一号投入运行。1994年，我国研制出了HT-7超导托卡马克，标志着我国成为了世界上第四个拥有超导托卡马克的国家。2005年，我国完成了首届首个非圆截面托卡马克装置——EAST实验装置。随后，在2006年，我国对EAST实现了第一点火，这在当时，是前所未有的成就。
图 6 我国的EAST装置
2012年2月，EAST拥有了第一套中性束注入器（NBI）——兆瓦级强流离子源的大功率离子束，并获得引出实验成功，标志着EAST升级为EAST-NBI。
3.3 ITER计划
国际热核聚变实验堆计划简称ITER计划。该提议起源于1985年，在1988年进行了设计工作。在2001年时完成了工程的设计，此时已经耗资15亿美元。为了我国能源的长远考虑，我国政府坚持参与ITER计划。在2003年时，我国决定正式参与ITER计划谈判。现在ITER计划中有7个成员国，即中国，欧盟，韩国，俄罗斯，日本，印度和美国。在1998年时，评估ITER建设的总投资为50亿美元。
图 7 ITER示意图
如图7所示，ITER计划中的反应堆装置就是一个大型的托卡马克装置。ITER装置不仅反映了各国在聚变能研究领域的最新成果，而且综合了当今世界的顶尖技术，如：中能高流强加速器技术，超导技术，连续、大功率毫米波技术，复杂的控制技术等等。 4 惯性约束核聚变
惯性约束核聚变是在上世纪60年代提出来的。这种核聚变技术利用了激光，使得包含氘和氚的燃料球达到反应的温度，并让它进行压缩，从而达到了点火的条件，使得获得的能量增益的过程。
4.1 惯性约束核聚变的原理
图8 惯性约束核聚变
如图8所示，燃料球是惯性约束的主要部件。球壳材料可以是金属或玻璃等材料。小球内装有氘和氚气体。惯性约束的原理如下：
1）用激光或粒子束均匀的照射燃料球，这是球外壳的表面会吸收能量而向外蒸发。
2）根据牛顿第三定律，作用力和反作用力
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