受控核聚變于等離子體物理學課件

1、核聚變能源開發(fā)的進展與展望核工業(yè)西南物理研究院潘 傳 紅2010年3月核聚變能源開發(fā)的進展與展望核工業(yè)西南物理研究院報 告 內(nèi) 容 第一部分 等離子體的基本屬性 第二部分 受控核聚變一般原理介紹 第三部分 等離子體物理學與核聚變工程技術(shù)研究進展 第四部分 熱核工程技術(shù)與示范堆、商用堆報 告 內(nèi) 容 第一部分 等離子體的基本屬性一、等離子體的基本屬性物質(zhì)第四態(tài)，物質(zhì)存在的基本形態(tài)；宏觀電中性和微觀電荷分離，電荷分離只存在于很小的線度(德拜長度)內(nèi)，這種自屏蔽效應稱為“德拜屏蔽”；帶電粒子（受長程庫侖力支配）構(gòu)成的多粒子體系，連續(xù) 電 磁流 體（簡稱“磁流體”），色散電介質(zhì)；單個帶電粒子在外電磁場

2、中的運動形態(tài)為“軌道運動”，而等離子體整體則呈“集體運 動”形態(tài)。不同 于一般的流體力學系統(tǒng)(色散電介質(zhì))，等離子體“集體運 動”從模式到特征頻率都異常復雜。只要存在“自由能”，某些集 體運動模式便會激發(fā)起來并傳播開去,發(fā)展成為“不穩(wěn)定性”。一、等離子體的基本屬性物質(zhì)第四態(tài)，物質(zhì)存在的基本形態(tài)；一、等離子體的基本屬性等離子體存在無窮多 “自由度”，每個“自由度”都象“窗口”一樣對“擾動” 敞開，導致等離子體（力學系統(tǒng)）極易偏離（甚至遠離）自己的平衡態(tài)，但也存在許多“渠道”使其回到新的平衡態(tài) 。這一現(xiàn)象使等離子體 成為非線性科學研究的主要對象之一。由于電子和離子熱速度的差別，便在固體界面附近（德

3、拜長 度線度 內(nèi)）形成負電位的“鞘層”。“鞘層”的概念是所有等離子體加工的基礎 ，由于“鞘層” 是由等離子體“自組織” 形成和維持的，人們只需要控制等離子體的外部宏觀參數(shù)(氣體種類、工作氣壓、放電功率等），即可達到各種加工的目的。由于帶電組元（電子、離子）處于“游離狀態(tài)”，使等離子體中容易發(fā)生多種原子、分子（如電離、復合、激發(fā)、退激、熱解、裂解、離子合成、亞穩(wěn)態(tài)電離、亞穩(wěn)態(tài)復合、亞穩(wěn)態(tài)及高激發(fā)態(tài)原子等）過程，這些過程通稱“等離子體活性”。在等離子體化工、等離子體涂層、等離子體聚合、等離子體結(jié)晶中有非常重要的意義。 一、等離子體的基本屬性等離子體存在無窮多 “自由度”，每個二、受控核聚變一般原理

4、介紹 1、環(huán)境問題與核聚變能源 能源短缺和環(huán)境惡化是21世紀人類社會面臨的兩大難題。目前作為主要能源的石油、煤、天然氣等儲量有限，太陽能、生物能、風能、水電等裝機容量有限且受地域限制，化石能源燃燒釋放的溫室氣體使人類生存條件日益惡化，核能作為一種新型能源被世界各國關(guān)注。核裂變能在50年代已得到成功應用，但存在放射性廢物處理和鈾資源儲量問題。核聚變能以其資源無限與潔凈，向人類展示了不可比擬的優(yōu)勢和前景。 二、受控核聚變一般原理介紹 1、環(huán)境問題與核聚變能二、受控核聚變一般原理介紹1、環(huán)境問題與核聚變能源 核聚變能是宇宙間所有恒星（包括太陽）釋放光和熱的能源。 聚變電站將首先利用氘氚聚變能。氘在海

5、水中儲量極為豐富，一升海水里提取出的氘，釋放的聚變能相當于燃燒300升汽油；氚可在反應堆中通過鋰再生，而鋰在地殼和海水中都大量存在。 人類開發(fā)核聚變能源經(jīng)歷了艱苦的歷程。自20世紀40年代末起，各國投入科學家及工程師上千人，總計經(jīng)費每年超過10億美元。人們對開發(fā)聚變能源難度的認識也逐步深化，從20世紀70年代開始，原蘇聯(lián)科學家提出的“托克馬克”概念顯示獨特優(yōu)勢，成為磁約束核聚變研究的流。 二、受控核聚變一般原理介紹1、環(huán)境問題與核聚變能源 二、受控核聚變一般原理介紹1、環(huán)境問題與核聚變能源 氘氚聚變釋放的能量: 氘和氚發(fā)生聚變后，氘核和氚核聚合生成1個氦核和1個中子，并釋放17.6Mev（其中

6、中子攜帶14.1MeV、氦核攜帶3.5MeV）的能量。氘氚聚變有5個核子參加反應，而鈾235裂變有236個核子參加反應。如果按每個核子釋放的能量比較，氘氚聚變釋放的能量是鈾235裂變釋放的能量的4.14倍。受控核聚變的苛刻條件：要求有上億度的溫度 (足夠高溫度)，以便原子核能夠克服庫侖力，充分靠近從而進入核力場的作用范圍并發(fā)生核聚變反應；要求高溫的聚變粒子不能太稀薄(較高密度)，以便增加原子核之間碰撞的可能性；要求能夠?qū)⒏邷馗呙艿木圩兞Ｗ蛹s束足夠長的時間(較長能量約束時間)，以便有充分的時間發(fā)生核聚變反應。二、受控核聚變一般原理介紹1、環(huán)境問題與核聚變能源 二、受控核聚變一般原理介紹氘氚核聚變

7、原理二、受控核聚變一般原理介紹氘氚核聚變原理二、受控核聚變一般原理介紹Plasmaself-heatingTritiumreplenishmentLiElectricityHydrogen二、受控核聚變一般原理介紹PlasmaTritiumLiE二、受控核聚變一般原理介紹托卡馬克裝置示意圖2、磁約束受控核聚變二、受控核聚變一般原理介紹托卡馬克裝置示意圖2、磁約束受控二、受控核聚變一般原理介紹2、磁約束受控核聚變（1）“聚變等離子體物理學” 研究的目標：驗證受控核聚變的科學可行性二、受控核聚變一般原理介紹2、磁約束受控核聚變二、受控核聚變一般原理介紹2、磁約束受控核聚變（2）“聚變等離子體物理學

8、” 研究的范圍（A）約束與輸運研究（B）(電)磁流體不穩(wěn)定性研究（重點研究對未來聚變堆有重大影響的等離子體破裂、新經(jīng)典撕 裂模、 電阻壁 模和邊沿局部模）（C）高能粒子行為研究 通過以上三方面的研究，驗證“先進托卡馬克運行模式” （ITER的科學基礎）： 高約束模。通過抑制等離子體不穩(wěn)定性(導致反常輸運的集體運式)、優(yōu)化和控制等離子體位形、建立大尺度輸運壘，實現(xiàn)高性能約束模式(高能量約束時間)，以及高約束模式下的等離子體物理學問題究； 高功率密度。通過二級加熱提高和維持等離子體功率密度(高經(jīng)濟性能)，及大功率二級加熱條件下的等離子體物理學問題研究； 高額自舉電流。產(chǎn)生和維持高額自舉電流(是維持

9、聚變堆穩(wěn)態(tài)運行的必要條件) ，及高額自舉電流條件下等離子體物理學問題研究。 二、受控核聚變一般原理介紹2、磁約束受控核聚變二、受控核聚變一般原理介紹2、磁約束受控核聚變（2）“聚變等離子體物理學” 研究的范圍（D）先進偏濾器概念及偏濾器物理研究 包括刮離層物理、 粒子的能量及粒子排出、等離子體與器壁相互作用、器壁對燃料粒子的化學吸附及解吸、器壁雜質(zhì)粒子的濺射及其對芯部的影響等（E）穩(wěn)態(tài)燃燒等離子體物理學（包括 粒子自加熱，這是ITER的科學目標）二、受控核聚變一般原理介紹2、磁約束受控核聚變二、受控核聚變一般原理介紹2、磁約束受控核聚變（3）“聚變等離子體物理學” 研究的方法三大理論體系基礎：

10、色散介質(zhì)電動力學、等離子體統(tǒng)計力學、（電）磁流體力學發(fā)展先進診斷技術(shù)，開展等離子體物理實驗研究開發(fā)計算機軟件平臺，開展數(shù)值模擬和（計算機）仿真實驗。二、受控核聚變一般原理介紹2、磁約束受控核聚變二、受控核聚變一般原理介紹2、磁約束受控核聚變（4）“聚變等離子體物理學” 實驗研究等離子體電磁學參數(shù)、熱力學參數(shù)、流體力學參數(shù)、雜質(zhì)(有效Z)、裝置及其附屬系統(tǒng)運行參數(shù)實驗觀測；等離子體漲落量測量、磁流體（MHD）不穩(wěn)定性“特征”研究及其控制方法研究；等離子體“宏觀流”（表征等離子體由“無序”走向“有序”因而相應的不穩(wěn)定性被抑制）實驗研究；等離子體二級加熱、電流驅(qū)動及等離子體電流剖面控制實驗研究；等離

11、子體加料及密度剖面控制實驗研究；等離子體輸運行為實驗研究等。 二、受控核聚變一般原理介紹2、磁約束受控核聚變二、受控核聚變一般原理介紹2、磁約束受控核聚變（5）“等離子體相關(guān)技術(shù)”研究領域磁體技術(shù)、特殊供電與控制技術(shù);等離子體二級加熱及電流驅(qū)動技術(shù)(微波技術(shù)、中性粒子束技術(shù)) ；先進診斷技術(shù)(電磁測量、粒子質(zhì)譜/能譜測量、微波測量、熱輻射測量、激光測量、光譜分析、X射線測量、核測量等 30多種先進診斷技術(shù));（面對等離子體)第一壁處理及雜質(zhì)控制技術(shù)；先進偏濾器概念及偏濾器技術(shù)研究；等離子體加料技術(shù);等離子體位形反饋控制技術(shù);數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù);軟件技術(shù)及計算機仿真實驗(技術(shù))。二、受控核聚變一

12、般原理介紹2、磁約束受控核聚變 三、等離子體物理學與核聚變工程技術(shù)研究進展1、國際受控核聚變研究的進程受控熱核聚變研究分為慣性約束和磁約束兩種途徑。兩種途徑的研究持續(xù)了半個多世紀。八十年代以來形成了以托卡馬克為重點途徑的磁約束聚變研究局面。九十年代以來，在托卡馬克裝置上取得重大進展: 1991年11月，歐共體JET裝置上首次成功地進行了D-T放電實驗,1997年創(chuàng)下了輸出聚變功率16.1MW、聚變能21.7MJ 的世界最高紀錄； 美國的TFTR裝置于1993年10月也實現(xiàn)了D-T反應； 1998年，日本JT-60U裝置上獲得了聚變堆級的等離子體參數(shù)，聚變?nèi)朔e1.531021keVsm-3，等

13、效聚變功率增益達到1.25。國際熱核聚變實驗堆(ITER)開始建設，標志著聚變能研究由基礎性研究開始進入了實驗堆的研究階段。 三、等離子體物理學與核聚變1、國際 三、等離子體物理學與核聚變工程技術(shù)研究進展2、中國受控核聚變研究 我國受控核聚變研究始于五十年代，經(jīng)過近四十余年的原理探索階段, 進入規(guī)?；瘜嶒炑芯侩A段。從裝置規(guī)模和達到的技術(shù)指標看, 與國外先進水平相比大體有10年左右的差距, 聚變?nèi)朔e（即能量約束時間、等離子體密度和溫度三者的乘積）大約差1-2個數(shù)量級。 三、等離子體物理學與核聚變2、中國受控核聚變研究三、等離子體物理學與核聚變工程技術(shù)研究進展 中國環(huán)流器二號A裝置三、等離子體物

14、理學與核聚變工程技術(shù)研究進展 中國環(huán)流器（a）當前 （b）改造后 三、等離子體物理學與核聚變工程技術(shù)研究進展HL-2A裝置改造與升級（a）當前 FCI(Flow Channel Insert) MHD experimentsLiquid metal experimental loop (LMEL) upgrade三、等離子體物理學與核聚變工程技術(shù)研究進展改進后的液態(tài)金屬試驗回路(LMEL) 以及MHD實驗安排FCI(Flow Channel Insert) MHD e三、等離子體物理學與核聚變工程技術(shù)研究進展2、中國受控核聚變研究低活化材料釩基合金的研制三、等離子體物理學與核聚變工程技術(shù)研究進

15、展2、中國受控核聚三、等離子體物理學與核聚變工程技術(shù)研究進展2、中國受控核聚變研究聚變增殖堆FEB-E概念設計(三維圖)三、等離子體物理學與核聚變工程技術(shù)研究進展2、中國受控核聚三、等離子體物理學與核聚變工程技術(shù)研究進展2、中國受控核聚變研究環(huán)流器二號A裝置是我國第一個偏濾器位形托卡馬克裝置。等離子體電流達430千安、放電時間3秒。在該裝置上開展了：改善約束、等離子體輸運、等離子體帶狀流、破裂特征、等離子體位形控制等前沿課題研究。先后應邀在20屆和21屆世界聚變能大會上報告。中科院TH-7裝置和EAST裝置(超導托卡馬克)。 TH-7裝置上開展了長脈沖 (等離子體電流60千安時300秒)放電實

16、驗和離子伯恩斯坦波(IBW)加熱實驗。為EAST裝置的建設積累了超導磁體技術(shù)的堅實基礎， EAST裝置于是2006年建成。 由于我院的國際影響以及成都市政府的大力支持，21屆世界聚變能大會在成都召開，我院18篇報告被選中，其中包括1篇邀請報告和1篇口頭報告。這是我院取得的重大突破。三、等離子體物理學與核聚變工程技術(shù)研究進展2、中國受控核聚 圖1. ITER裝置示意圖 三、等離子體物理學與核聚變工程技術(shù)研究進展3、國際熱核實驗堆（ITER）計劃簡介 圖1. ITER裝置示意圖 三、等離子體物理學與核聚變?nèi)?、等離子體物理學與核聚變工程技術(shù)研究進展3、國際熱核實驗堆（ITER）計劃簡介2006年，七

17、方共同簽署了國際熱核實驗堆聯(lián)合實施協(xié)定，ITER計劃進入實施階段。該計劃是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一，建設周期十年，耗資五十億美元（1998年值）。七方成員分別為歐盟、中國、韓國、俄羅斯、日本、印度和美國，包括了世界上主要的核大國和世界人口的一半。ITER計劃的實施結(jié)果將決定人類能否迅速地、大規(guī)模地使用聚變能，從而可能影響人類從根本上解決能源問題的進程。三、等離子體物理學與核聚變工程技術(shù)研究進展3、國際熱核實驗 3國際熱核實驗堆（ITER）計劃簡介 ITER的主要系統(tǒng): 磁場線圈系統(tǒng)，真空室系統(tǒng)，真空室內(nèi)部件（屏蔽包層模塊和偏濾器元件），低溫恒溫器，水冷系統(tǒng)，低溫站，加

18、熱和電流驅(qū)動系統(tǒng)，供電系統(tǒng)，加料和抽氣系統(tǒng)，氚系統(tǒng)，診斷系統(tǒng)等。 有關(guān)技術(shù)研發(fā)已基本完成。 其中：中心螺管線圈、環(huán)向場線圈、真空室、包層模塊、偏濾器、屏蔽包層模塊遙控操縱系統(tǒng)、偏濾器遙控操縱系統(tǒng)等七大關(guān)鍵部件的技術(shù)難度最大。三、等離子體物理學與核聚變工程技術(shù)研究進展 3國際熱核實驗堆（ITER）計劃簡介三、等離子體物理學與核3國際熱核實驗堆（ITER）計劃簡介我國承擔的12個采購包(實物貢獻)一覽表：磁體支撐（100%、22.85 kIUA），包層第一壁/包層屏蔽體(10%/40%、31.9 kIUA) ，氣體閥門箱和輝光放電清洗系統(tǒng)（88%、6.78 kIUA） ， 中子診斷系統(tǒng) （中子通量

19、測量、2.0I kIUA）;修正場線圈 （100%、2.6 kIUA），磁體引線 （100%、26.1 kIUA），運輸小車和機械手系統(tǒng)（只做小車、8.2 kIUA），光學測量系統(tǒng)（可見光譜測量、3.3 kIUA）; 高壓變電站設備（100%、21.0 kIUA） ，交-直流轉(zhuǎn)換（62%、50.0 kIUA） ;環(huán)向場磁體線圈導體 （7%、15.05 kUA），極向場磁體線圈導體（69%、51.2 kIUA）. 三、等離子體物理學與核聚變工程技術(shù)研究進展3國際熱核實驗堆（ITER）計劃簡介三、等離子體物理學與核1、核聚變能源開發(fā)的進程四、熱核工程技術(shù)與示范堆、商用堆1、核聚變能源開發(fā)的進程四、熱核工程技術(shù)與示范堆、商用堆 四、熱核工程技術(shù)與示范堆、商用堆2、ITER與未來聚變示范堆和商用堆的區(qū)別聚變示范堆與商用堆在結(jié)構(gòu)上相似，商用堆經(jīng)濟性能可能比示范堆高。ITER與示