新能源發(fā)電技術(shù) 電子課件 2.5 可控核聚變及其未來利用方式

2.5可控核聚變及其未來利用方式任課老師：于立軍2019年03月目錄Contents2.5.1認(rèn)識核聚變反應(yīng)2.5.2實現(xiàn)可控核聚變的條件2.5.3實現(xiàn)可控核聚變反應(yīng)的方法2.5.4核聚變發(fā)電研究進(jìn)展目錄Contents2.5.1認(rèn)識核聚變反應(yīng)2.5.2實現(xiàn)可控核聚變的條件2.5.3實現(xiàn)可控核聚變反應(yīng)的方法2.5.4核聚變發(fā)電研究進(jìn)展5核聚變:質(zhì)量較輕的原子在超高溫下發(fā)生的原子核聚合作用，生成新的質(zhì)量較重的原子核并且釋放出巨大的能量。2.5.1認(rèn)識核聚變熱核聚變：大規(guī)模的核聚變反應(yīng)通常需要在極高溫條件下（約1億℃以上）進(jìn)行，稱為熱核聚變氘氦聚變示意圖典型的熱核聚變恒星內(nèi)部2.5.1.1核聚變過程提供能量加入原料高溫（約10萬攝氏度）電離態(tài)更高溫度（上億度）核聚變放出大量能量利用2.5.1.1核聚變過程——電離化原子核原子核無法接觸高溫電離原子核原子核可以接觸等離子態(tài)讓電子擺脫原子核的束縛，使原子核可以自由運(yùn)動并且裸露出來，讓兩個原子核可以接觸。。2.5.1.1核聚變過程——聚變反應(yīng)

原子核原子核庫侖斥力

原子核發(fā)生接觸或碰撞巨大的熱能克服靜電斥力極高的溫度（約1億度）賦予能量在強(qiáng)相互作用力作用下結(jié)合聚變賦予能量氘氚聚變（D-T反應(yīng)）特點：該反應(yīng)可以在較低溫度下實現(xiàn)，在相同溫度下，其反應(yīng)速率比其他反應(yīng)要大，反應(yīng)釋能也多，氘氘聚變（D-D反應(yīng)）

（兩反應(yīng)概率相同）特點：利用時由于放出帶電粒子質(zhì)子，可以考慮采用磁流體技術(shù)直接發(fā)電的轉(zhuǎn)換方式。2.5.1.2常見核聚變反應(yīng)氘氦聚變特點：氘氦聚變反應(yīng)性較低，電子密度較高，其聚變功率降低。反應(yīng)過程中會附帶氘氘反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生中子。氦-3聚變特點：不會產(chǎn)生中子，可以減輕設(shè)備材料的輻射損傷，降低放射性水平。2.5.1.2常見核聚變反應(yīng)目錄Contents2.5.1認(rèn)識核聚變反應(yīng)2.5.2實現(xiàn)可控核聚變的條件2.5.3實現(xiàn)可控核聚變的方法2.5.4核聚變發(fā)電研究進(jìn)展5氫彈：采用原子彈產(chǎn)生的高溫高壓，使氫彈中的核聚變?nèi)剂弦揽繎T性擠壓在一起，從而產(chǎn)生核聚變反應(yīng)。在極短的時間內(nèi)釋放大量能量。2.5.2核聚變的對比可控核聚變：能夠穩(wěn)定可控地進(jìn)行下去的核聚變反應(yīng)，即不能使得反應(yīng)物因為不能滿足反應(yīng)條件而導(dǎo)致反應(yīng)停止，也不能讓反應(yīng)失去控制。2.5.2可控核聚變的條件前提足夠的動能足夠的原子反應(yīng)，輸出能量大于輸入關(guān)鍵人類能量來源Z-Machine慣性約束核聚變設(shè)備點火溫度足夠能量核聚變反應(yīng)需要在高溫下進(jìn)行（1億℃以上）2.5.2可控核聚變的條件——極高的溫度能量生成速率與能量損失速率的平衡克服靜電斥力2.5.2可控核聚變——充分的約束

高溫下的等離子體十分不穩(wěn)定，被約束時間短。必須將高溫等離子體維持相對足夠長的時間，以便充分地發(fā)生聚變反應(yīng)，釋放出足夠多的能量。等離子體密度影響必要約束時間勞遜判據(jù)對可控核聚變，氣體密度n和約束時間τ的乘積nτ必須滿足一定條件。對D-T聚變，nτ需大于1016s/cm3，而對D-D聚變，nτ需大于1014s/cm3。目錄Contents2.5.1認(rèn)識核聚變反應(yīng)2.5.2實現(xiàn)可控核聚變的條件2.5.3實現(xiàn)可控核聚變的方法2.5.4核聚變發(fā)電研究進(jìn)展52.5.3可控核聚變的問題及解決方案核聚變所屬區(qū)域需要用特殊的方法來約束慣性約束磁約束約束2.5.3.1可控核聚變技術(shù)——慣性約束慣性約束聚變（ICF)：利用粒子的慣性作用來約束粒子本身，從而實現(xiàn)核聚變反應(yīng)。原理：利用驅(qū)動器提供的能量使靶丸中的核聚變?nèi)剂希㈦埃┬纬傻入x子體，在這些等離子體粒子由于自身慣性作用還來不及向四周飛散的極短時間內(nèi)，通過向心爆聚被壓縮到高溫、高密度狀態(tài)，從而發(fā)生核聚變反應(yīng)。激光約束裝置2.5.3.1慣性約束——激光約束高壓的氘氚混合氣體大功率激光照射等離子體慣性作用下壓縮并被加熱發(fā)生核聚變反應(yīng)靶丸中慣性核聚變內(nèi)燃機(jī)靶丸注入爆炸室燃料注入氣缸活塞壓縮燃料混合氣體消融等離子體飛散時的反作用力壓縮燃料壓縮到高溫高密的燃料首先在芯部點火燃燒火花塞將壓縮的燃料點燃燃料混合體以爆炸方式燃燒，驅(qū)動活塞和曲軸核反應(yīng)能量被反應(yīng)物帶走2.5.3.1慣性約束核聚變的問題與展望問題：用激光或其他粒子束引起靶丸“聚爆”，與氫彈爆炸類似，是難以控制的。展望：可以用激光核聚變的方法有節(jié)制地引爆一個個微型“氫彈”得到連續(xù)的能量輸出。激光照射靶件時，輻射空腔兩端的光線情況示意圖2.5.3.2可控核聚變技術(shù)——磁約束磁約束：用特殊形態(tài)的磁場把氘、氚等輕原子核和自由電子組成的、處于熱核反應(yīng)狀態(tài)的超高溫等離子體約束在有限的體積內(nèi)，使它受控制地發(fā)生大量的原子核聚變反應(yīng)，釋放出熱量。兩種磁約束核聚變裝置2.5.3.2磁約束原理：核聚變的高溫等離子體在磁場中的運(yùn)動只能繞著磁力線做螺旋線運(yùn)動，這樣在磁力線的垂直方向上，帶電粒子就被約束住了，可采用特殊形狀的磁力線來約束高溫等離子體，并與實際器壁相脫離。特點：約束時間長、裝置大、高真空。2.5.3.2磁約束核聚變的裝置為了使約束時間足夠長，也為了能有足夠多的燃料粒子進(jìn)行聚變反應(yīng)，磁約束裝置要非常大。開端磁約束裝置閉合按磁力線形狀分類2.5.3.2磁約束核聚變——開端形態(tài)：磁鏡開端形態(tài)：長圓柱兩端的磁場特別地加強(qiáng)，中間部分的磁力線平直均勻，磁場強(qiáng)度為B0，兩端磁場的強(qiáng)度,增加到Bm。兩端磁力線還是開放的。磁鏡：在開端形態(tài)磁場形態(tài)中，沿著磁力線運(yùn)動的帶電粒子向端部區(qū)域接近時，有可能會被加強(qiáng)了的磁場反射回來問題：端損失改善方案：多重的串級磁鏡；使系統(tǒng)中部和兩端出現(xiàn)靜電電位差(靜電約束)和溫度差（熱壘約束），以進(jìn)一步約束中心的等離子體多重串級磁鏡裝置2.5.3.2磁約束核聚變——閉合形態(tài)：托卡馬克裝置閉合形態(tài)：把磁力線連同等離子體柱彎曲起來，使它的兩端互相連接，成為一個環(huán)形，磁力線閉合起來。問題：組成等離子體的正負(fù)電荷分離而發(fā)生一些漂移運(yùn)動解決方案：使磁力線來一個“旋轉(zhuǎn)變換”。以簡單的環(huán)形磁場B為基礎(chǔ)，加上一個垂直方向的“極向磁場”Bp，即在環(huán)的小截面上的一個旋轉(zhuǎn)式的磁場分量，來造成磁力線的旋轉(zhuǎn)變換。托卡馬克裝置2.5.3.2托卡馬克裝置原理：利用超高真空中的等離子體電流攜帶等離子體，由歐姆加熱線圈電流根據(jù)變壓器原理建立和維持等離子體電流，用環(huán)向磁場來約束等離子體，用平衡磁場控制其平衡；由高頻電磁波設(shè)備構(gòu)成的輔助加熱系統(tǒng)來驅(qū)動電流或加熱等離子體。真空室注入氣體產(chǎn)生少量離子產(chǎn)生一個強(qiáng)大的持續(xù)的環(huán)形等離子體電流產(chǎn)生一定的螺旋型磁場，約束其中等離子體燈絲的熱電子或者微波等作用下外面線圈中的電流工作過程感應(yīng)或者微波、中性束注入等方式托卡馬克裝置目錄Contents2.5.1 認(rèn)識核聚變反應(yīng)2.5.2實現(xiàn)可控核聚變的條件2.5.3實現(xiàn)可控核聚變的方法2.5.4核聚變發(fā)電研究進(jìn)展

2.5.4核聚變發(fā)電研究進(jìn)展——核聚變優(yōu)點

無污染不產(chǎn)生溫室氣體和放射性污染安全性好聚變反應(yīng)本身是依靠高溫來維持的，不會因的因堆芯失冷而融化或爆炸原料廣泛從水中得到，地球水資源豐富經(jīng)濟(jì)效益原料來自水中，氘較易提取，成本較低2.5.4國際熱核聚變反應(yīng)堆ITERITER裝置是由包括中國在內(nèi)的多個國家共同建造。是人類受控核聚變研究的關(guān)鍵一步。ITER裝置2.5.4中國的核聚變技術(shù)2017年7月4日，由中國科學(xué)院等離子體物理研究所研究建設(shè)的超導(dǎo)托卡馬克實驗裝置EAST（見圖）在全球首次實現(xiàn)了上百秒的穩(wěn)態(tài)高約束運(yùn)行模式，為人類開發(fā)利用核聚變清潔能源奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。2.5.4