新能源_核能結(jié)課論文分析

1、南京理工大學新能源技術(shù)課程報告姓名學號：學院係）:自動化學院專業(yè)：電氣工程題目:受控核聚變的研究發(fā)展組別第8組核能任課教師碩士導師2015年6月16號受控核聚變的研究發(fā)展摘要： 本文首先概述了受控核聚變能源的發(fā)展狀況。接下來分析了受控核聚變的定義，以及當今受 控核聚變的主要研究途徑和面對的難題。磁約束核聚變和慣性約束核聚變是當今研究受控核聚變的 兩種主要研究途徑。在磁約束核聚變中，本文首先講解了該方式的原理。然后分析了托卡馬克裝置 的工作原理。接著分析了我國磁約束核聚變的發(fā)展。在慣性約束核聚變中，首先講解了該方式的基 本原理。然后介紹了美國的 NIF 裝置的發(fā)展狀況，以及我國神光工程在約束核聚

2、變中研究。人們研 究核聚變的腳步依然在向前邁著，不久的將來一定能實現(xiàn)可控的核聚變。關(guān)鍵詞： 受控核聚變；磁約束核聚變；慣性約束核聚變Research and development of controlled nuclear fusionABSTRACT ： 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 contr

3、olled 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

4、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 s

5、till 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 fusion1 引言 能源與生活息息相關(guān)。我們不得不承認， 我們正面臨著前所未有的能源危機。開發(fā)利用 新能源已是迫在眉睫的任務(wù)了。當前，核能就 是新能源開發(fā)中的一個重要主角。核能的來源 有裂變和

6、聚變。裂變已經(jīng)廣泛用于發(fā)電領(lǐng)域。 全球的核電站已達到 400 多座。由于核聚變反 應(yīng)時需要極高的溫度，因此核聚變的實現(xiàn)是一 件十分復雜且非常困難的事情。對于核聚變發(fā) 電，我們還有一段相當長的距離要走。但是核 聚變和核裂變比較有兩個重大的優(yōu)點：一是核 聚變不會產(chǎn)生長期和高水平的核輻射，不會留 下核廢料，二是地球上蘊藏的核聚變原料比核 裂變的原料要多的多。 按目前世界的能量消耗， 地球上蘊藏的核聚變能量，可以讓全球使用 100 億年?，F(xiàn)在，我們還面臨著如何控制核聚變的過程和如何將熱量引出來進行發(fā)電的難題。一旦解決這些復雜的技術(shù)問題，整個世界的能源問題將將得到徹底的解決。正因為核聚變有著長遠的意義，

7、世界發(fā)達國家不斷地投入大量的人 力，物力和財力對它進行研究開發(fā)。2 受控核聚變的發(fā)展背景 核聚變釋放著巨大的能量，從 20 世紀 50 年代開始，人們就沒有停止它的研究。利用核 聚變制造氫彈不是人類的最終目的，和平利用 核聚變才是長遠的目的。2.1 核聚變反應(yīng) 核聚變是指利用質(zhì)量小的原子，如氫的同 位素氘和氚，在一定的條件下（如超高溫和高 壓）發(fā)生的原子核的相互聚合作用，生成新的 重原子核的反應(yīng)。它的中間過程中，發(fā)生了質(zhì) 量虧損，由愛因斯坦的質(zhì)能方程，可以得知反 應(yīng)中存在著能量的釋放。太陽釋放的能量，就是通過大量的輕核聚變產(chǎn)生的，并且以光的形式向外釋放。反應(yīng)如圖1所示。DeuteriumHdl

8、iumTritium圖1核聚變反應(yīng)采用氘和氚發(fā)生核聚變反應(yīng)時，其反應(yīng)的 方程式如下：D T ；He 0n 17.6MeV從這個反應(yīng)方程式可以看出，反應(yīng)物的質(zhì) 量大于生成物的質(zhì)量。中間過程發(fā)生了質(zhì)量虧 損，這些虧損的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為 17.6MeV能量。地 球上氘的含量極為豐富，1L的水中就含有0.03 克的氘。地球擁有 13億8600萬立方千米的水 資源，蘊藏著11.47 1031J的能量。這些能量足夠我們使用百億年。2.2受控核聚變氫彈的爆炸主要就是核聚變。但是它是利用 原子彈爆炸時，產(chǎn)生的高溫高壓環(huán)境，使它里面的氘和氚發(fā)生了核聚變反應(yīng)，釋放了巨大的能 量。但是這種瞬間的爆炸性能量是無法控制的。

9、如果我們能對聚變時放出的能量加以控制，把它作為社會生產(chǎn)和人類生活用的能量，我們就實現(xiàn)了受控核聚變。在蜘蛛俠 2中章魚博士所使 用的能源，就是受控核聚變。受控核聚變的研究途徑從上世紀50年代到現(xiàn)在，人們傾注了大量的 精力來研究核聚變。現(xiàn)在我們?nèi)匀徽J為離實現(xiàn)受 控核聚變發(fā)電還有相當長的路要走。科學家保守 估計，我們要建成核聚變發(fā)電站，至少要等30年時間。在這研究的過程中，人們提出了各種各 樣的設(shè)想，建造的裝置也是各種各樣的。但是， 從目前來看，我們對受控核聚變的研究途徑主要 分為兩個大類：磁約束核聚變(magnetic confinement fusion , MCF )和慣性約束核聚變(iner

10、tial confinement fusion ,ICF )。本文將在第3節(jié)和第4節(jié)中對它們進行介紹和分析。但是，不 管是MCF和ICF，它們都還只是實驗用的裝置。它們離真正的經(jīng)濟應(yīng)用，還是有相當長的距離。 里面還有各種技術(shù)難題要解決。實現(xiàn)受控核聚變的難題氘核和氚核都帶正電荷，正常狀態(tài)下，它 們是互相排斥的。因此要想把這兩個帶正電的 原子核聚合起來，需要用很大的能量才能使它 們克服相互之間的斥力。當把聚變的核原料加 熱到很高的溫度時(1億度左右)，氘和氚有 著足夠大的動能。但這樣還只是提供了碰撞的 速度，還應(yīng)該對核原料進行約束，使它們達到 足夠高的密度。這樣就可以使氘和氚有了足夠 大可能進行碰

11、撞發(fā)生聚變。這就是實現(xiàn)氘核和 氚核聚合的方法。從上面對聚變發(fā)生的條件進行分析，可以 發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)受控核聚變是相當困難的。下面本文 將討論受控核聚變面對的難題 ：1) 等離子體的約束問題。聚變的核原料經(jīng) 過高溫高壓處理后，形成了等離子體。由于等 離子體是一個高度復雜的多體系統(tǒng)，其中不僅 有電磁相互作用，各種波粒相互作用，同時還 有非線性的湍流問題。圖 2展示了等離子體內(nèi) 部結(jié)構(gòu)的復雜性。要想掌握這些等離子體的規(guī) 律，需要大量的人力，物力和財力。圖2物質(zhì)的四種狀態(tài)2) 點火問題和材料問題。要想啟動核聚變 反應(yīng)，需要1億度的高溫環(huán)境。核聚變發(fā)生后， 通過控制，它自身產(chǎn)生的能量可以維持反應(yīng)的 進行。首先，

12、怎么樣產(chǎn)生 1億度的高溫，這已 經(jīng)是一個很難的技術(shù)問題。另一個就是材料問 題，什么材料能經(jīng)受得住 1億度的溫度。在約 束等離子體時，需要強大的磁場。強大的磁場 是由高電流產(chǎn)生的，這就要求所用的導體為超 導材料，目前還沒有解決高溫超導材料的問題。 圖3列出了咼溫超導體材料的研究，現(xiàn)在咼溫 超導體材料的最高臨界溫度為165K，還是很低。20D1gox) !心廠 SaCaCuOJz:一'S* Yl Fw- H -r J"'.4LHl5 E 聲IE"5 '1M1 *19FD13BD20002Q1C "V«f圖3高溫超導材料發(fā)展3) 中子的

13、輻射問題。氘和氚發(fā)生核聚變 時，會產(chǎn)生大量的中子。材料被中子輻射后， 就會產(chǎn)生輻射問題。而且這些中子會損壞反應(yīng) 堆材料。這是必須考慮的輻射屏蔽問題。上面是受控核聚變面對的3個大難題，當然，受控核聚變面臨的技術(shù)問題還不止這些。 3磁約束核聚變磁約束核聚變的大致過程為：首先，在處于熱核反應(yīng)的超高溫度下，氘,氚等輕原子核和它們的自由電子形成了等離子 體。然后再利用特殊形態(tài)的磁場將高溫等離子 體進行約束和壓縮，使它們達到受控核聚變的 點火條件，實現(xiàn)連續(xù)的核聚變反應(yīng)。點火條件 是指：1) 反應(yīng)堆的溫度高于108K ；202) 等離子體的密度要大于 10個每立方 米；3) 約束的時間要大于 1s；通過磁約

14、束核聚變實現(xiàn)受控核聚變，是目 前為止，人們投入最多，研究最深入的一種核 聚變途徑。其中，托卡馬克裝置就是磁約束核 聚變中的一個重要角色。3.1托卡馬克裝置托卡馬克(Tokamak)是前蘇聯(lián)的庫爾恰 托夫研究所的科學家阿莫維奇等人在上世紀 50年代發(fā)明的。它是一種利用磁約束實現(xiàn)受控 核聚變的環(huán)形容器。它的名字是由4個單詞的首2位字母組成，即環(huán)形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnet)、線圈(kotushka)。經(jīng)過了 60多年的努力，利用托卡馬克進行可控的核聚 變，是可行的。但是它的相關(guān)的結(jié)果都是以斷 脈沖的形式產(chǎn)生的，與實際生活中連續(xù)運行還 是有較大的差距。現(xiàn)在，超導技

15、術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在 了托卡馬克的線圈上了，這是受控核聚變的一 個重大突破。目前，建造超導裝置進行核聚變 的研究已成為國際的一股熱潮。托卡馬克裝置的工作原理|Prlrnar trjnENiimDr ElruiJ舸利9尸|佻 IWUTmigM Wd MaltPlaanwowrvtrtET<Nraidhl amgirw: IMd圖4托卡馬克裝置示意圖圖5托卡馬克裝置的實物圖從4和圖5，可以看出，托卡馬克裝置的主體 由2部分組成，即磁場系統(tǒng)和真空系統(tǒng)。磁場系統(tǒng)有2個主要的作用。縱場線圈的 主要作用是用來產(chǎn)生強大的縱向磁場，將加熱 后的等離子體約束在真空管里面，使之能發(fā)生 碰撞，進而發(fā)生核聚變反應(yīng)。聚變

16、的第一步就是要使原料處于等離子 態(tài)，等離子態(tài)是物質(zhì)的第四態(tài)。這種形態(tài)下的 物質(zhì)是一種充分電離的。它的整體呈電中性。 在等離子體中，由于高溫，它的電子已經(jīng)擁有 足夠的動能來擺脫原子核的束縛。這時，原子 核完全暴露，為原子核的碰撞準備了條件。當 等離子體被加熱到幾千萬甚至幾億度時，原子 核之間就可以擺脫斥力，聚合在一起，形成聚 變反應(yīng)。如果這時還有足夠的密度和足夠的熱 能，那么這種反應(yīng)就可以穩(wěn)定地持續(xù)運行下去。 常用的加熱系統(tǒng)如下：1 ）歐姆加熱。磁場的變化產(chǎn)生感應(yīng)電動 勢，從而在等離子體里面生成電流。等離子體 本身有電阻，會發(fā)生歐姆加熱。其道理和電阻 元件一樣。2）微波加熱。向托卡馬克內(nèi)發(fā)射電磁

17、波， 利用電磁波來加熱等離子體。該原理和我們家 用的電磁微波爐很像。3）中性束加熱。中性束加熱實際上是一個 能量的傳遞過程，向托卡馬克裝置內(nèi)注入高能 的粒子，然后高能的粒子將它的能量傳遞給等 離子體，實現(xiàn)了加熱。這種加熱方式要先用加 速器對粒子進行加速，因此成本比較高。真空系統(tǒng)。真空室就是指那個環(huán)形容器。 真空室的墻壁一般是用薄壁不銹鋼做成。這不 但要考慮足夠的機械強度，還必須有一定的縫 隙，以保證磁場的滲透。抽氣系統(tǒng)一般采用了 渦輪分子泵。這種設(shè)備可以將真空室的壓強為10 6 Pa以下的超真空。3.2我國磁約束核聚變的發(fā)展從上世紀50年代，我國就進行了核聚變的 研究，主要集中在西南物理研究院

18、和中科院等 離子體物理研究所。1984年，我國的環(huán)流一號 投入運行。1994年，我國研制出了 HT-7超導 托卡馬克，標志著我國成為了世界上第四個擁 有超導托卡馬克的國家。2005年，我國完成了 首屆首個非圓截面托卡馬克裝置一一EAST實 驗裝置。隨后，在2006年，我國對EAST實現(xiàn) 了第一點火，這在當時，是前所未有的成就。圖6我國的EAST裝置2012年2月，EAST擁有了第一套中性束 注入器（NBI）兆瓦級強流離子源的大功 率離子束，并獲得引出實驗成功， 標志著 EAST 升級為EAST-NBI。3.3 ITER 計劃國際熱核聚變實驗堆計劃簡稱ITER計劃。該提議起源于1985年，在19

19、88年進行了設(shè)計 工作。在2001年時完成了工程的設(shè)計， 此時已 經(jīng)耗資15億美元。為了我國能源的長遠考慮， 我國政府堅持參與ITER計劃。在2003年時， 我國決定正式參與ITER計劃談判?，F(xiàn)在ITER 計劃中有7個成員國，即中國，歐盟，韓國， 俄羅斯，日本，印度和美國。在1998年時，評 估ITER建設(shè)的總投資為50億美元。圖7 ITER示意圖如圖7所示,ITER計劃中的反應(yīng)堆裝置就 是一個大型的托卡馬克裝置。ITER裝置不僅反 映了各國在聚變能研究領(lǐng)域的最新成果，而且 綜合了當今世界的頂尖技術(shù)，如：中能高流強 加速器技術(shù)，超導技術(shù)，連續(xù)、大功率毫米波 技術(shù)，復雜的控制技術(shù)等等。4慣性約束

20、核聚變慣性約束核聚變是在上世紀60年代提出來的。這種核聚變技術(shù)利用了激光，使得包含 氘和氚的燃料球達到反應(yīng)的溫度，并讓它進行 壓縮，從而達到了點火的條件，使得獲得的能 量增益的過程。4.1慣性約束核聚變的原理圖8慣性約束核聚變?nèi)鐖D8所示，燃料球是慣性約束的主要部 件。球殼材料可以是金屬或玻璃等材料。小球 內(nèi)裝有氘和氚氣體。慣性約束的原理如下：1） 用激光或粒子束均勻的照射燃料球，這 是球外殼的表面會吸收能量而向外蒸發(fā)。2）根據(jù)牛頓第三定律，作用力和反作用力的關(guān)系。球面內(nèi)層就會受到反作用力的作用， 向內(nèi)擠壓。這時，里面的氣體不但壓力在增大， 氣體里面的溫度也在不斷的升高。3）隨著激光的不斷照射，

21、燃料在不斷的向 中心擠壓。若小球照射前的半徑為 Ri，壓縮到 最后時的半徑為R2,則壓縮比為Ri/R2。4）R1/R2這一個比值可以達到 30左右。溫 度也可以達到很高。當溫度達到點火的溫度時，則小球內(nèi)的混合氣體就會發(fā)生爆炸。這個爆炸過程時間很短，只有幾個皮秒， 每秒鐘有三個以上這樣的爆炸，并且可以連續(xù) 不斷的下去。則它們發(fā)出來的能量就相當于百 萬千瓦級的發(fā)電站。4.2慣性約束核聚變面臨的技術(shù)難題為何今天還是沒有利用這種技術(shù)來建造發(fā) 電站呢？下面本文將分析其中的原因。1） 無論用的是激光束還是粒子束，它們的 功率都還沒有達到建造發(fā)電站時所需要的功率，還差個幾十倍。2）照射方面的問題。激光必須均

22、勻的照 射，燃料球本身也必須均勻的照射，它的光潔 度也必須很好。這些環(huán)節(jié)一旦出現(xiàn)技術(shù)問題， 將會導致壓縮不均勻，爆炸率不高。3）爆炸方法的改良。中心爆炸點火的方法 不一定是最好的方案。是否還存更好更經(jīng)濟的 方案。很多國家都在努力的研究和探索最優(yōu)的 點火方法。4.3美國的NIF裝置美國的國家點火裝置于 1997年開始建造， 由于諸多政權(quán)和嚴重超出預算，使它原本計劃 5年完成的項目，直到2009年2月才大致完成。 圖9為建設(shè)中的NIF。從圖中，我們還是能看 到很多供激光計進入的孔。整套NIF裝置，有6000種不同的高科技 設(shè)備。光建造的廠房就長達一公里。圖6中的設(shè)備目的是讓192臺激光裝置在10億

23、分1秒內(nèi) 同時發(fā)射激光并集中在鉛筆頭大小的燃料球 上。如圖10所示，就是NIF裝置中的燃料球。 允許的誤差不能大于 30ps,要想達到如此之高 的精度，6000多種設(shè)備的制造和安裝至關(guān)重 要。所有的設(shè)備制造都幾乎要接近完美。由此 可以想象，NIF消耗的資金肯定是巨大的，據(jù) 官方公布，NIF到目前已經(jīng)消耗30.5億美元。圖10燃料球的安裝2012年7月5日，美國NIF成功實現(xiàn)了點 火，輸出的能量大于輸入的能量，這是受控核 聚變中具有里程碑意義的突破。 但是可惜的是, 由于種種的外界因素，NIF的研究轉(zhuǎn)向了核武 器的研究上了。4.4我國的神光工程神光裝置屬于釹玻璃激光裝置。它在世界 激光裝置排名中，排在第四位。我國很多物理 實驗的成果就是從它那里獲得的。神光n是我 國進行慣性約束聚變、X光激光和材料在極高 壓狀態(tài)下的參數(shù)測量等高科技領(lǐng)域中開展研究 提供了不可替代實驗手段，它是該領(lǐng)域的重要 實驗平臺。神光-川原型裝置建設(shè)目標已圓滿完 成，它能達到“ 8束出光，脈沖-萬焦耳”的水 平。這些成就標志著我國成為繼美、法后，第 三個掌握新一代高功率激光驅(qū)動器技術(shù)的國 家。同時，也使我國成為繼美國之后，第二個 具備獨立研究、建設(shè)新一代高功率激光驅(qū)動器 能力的國家圖9建設(shè)中的NIF慣性約束聚變點火工程已經(jīng)被確定為國 家