核聚變和ITER介紹ppt課件

1、核聚變和核聚變和ITERITER引見引見Department of PhysicsBeijing University of Aeronautics and Astronautics :1，什么是核聚變2，核聚變用作能源的兩個艱苦優(yōu)點3，核聚變發(fā)生的條件4，受控核聚變的原理5，受控核聚變的方式6，TOKAMAK受控核聚變的開展7，什么是“超導托卡馬克安裝8，中國在受控核聚變領域的開展9，國際熱核聚變實驗堆ITER組織10，金屬的輻照損傷和輻照效應大綱大綱:什么是核聚變什么是核聚變核聚變是兩個較輕的原子核聚合為一個較重的原核聚變是兩個較輕的原子核聚合為一個較重的原子核，并釋放出能量的過程。子核，

2、并釋放出能量的過程。典型的聚變反響是典型的聚變反響是太陽的能量來自它中心的熱核聚變?nèi)祟惙浅Ａw慕這種能源，但是目前只學會了破壞性地運用，這就是氫彈，一朵核聚變蘑菇云能隨便地抹平一座幾百萬人的城市。在太陽過去的46億年中，僅耗費了0.03%的質(zhì)量。是什么東西這么耐燒呢？那就是核聚變。:核聚變用作能源的兩個艱苦優(yōu)點核聚變用作能源的兩個艱苦優(yōu)點一，地球上蘊藏的核聚變能遠比核裂變能豐富得多。一，地球上蘊藏的核聚變能遠比核裂變能豐富得多。據(jù)測算，每升海水中含有據(jù)測算，每升海水中含有0.030.03克氘，所以地球上僅克氘，所以地球上僅在海水中就有在海水中就有4545萬億噸氘。萬億噸氘。1 1升海水中所含的氘

3、，經(jīng)升海水中所含的氘，經(jīng)過核聚變可提供相當于過核聚變可提供相當于300300升汽油熄滅后釋放出的能升汽油熄滅后釋放出的能量。至于氚，雖然自然界中不存在，但靠中子同鋰量。至于氚，雖然自然界中不存在，但靠中子同鋰作用可以產(chǎn)生，而海水中也含有大量鋰。這就意味作用可以產(chǎn)生，而海水中也含有大量鋰。這就意味著，單靠海水，就能滿足人類著，單靠海水，就能滿足人類100100億年的能源需求。億年的能源需求。第二個優(yōu)點是既干凈又平安。第二個優(yōu)點是既干凈又平安。由于它不會產(chǎn)生污染環(huán)境的放射性物質(zhì)，所以是干由于它不會產(chǎn)生污染環(huán)境的放射性物質(zhì)，所以是干凈的。同時受控核聚變反響可在稀薄的氣體中繼續(xù)凈的。同時受控核聚變反響

4、可在稀薄的氣體中繼續(xù)地穩(wěn)定進展，所以是平安的。地穩(wěn)定進展，所以是平安的。核聚變發(fā)生的條件核聚變發(fā)生的條件太陽的中心溫度高達太陽的中心溫度高達15001500萬萬20002000萬萬，中心壓力，中心壓力達達3.43.4多億億帕，太陽內(nèi)的物質(zhì)在這樣高的溫度和壓力多億億帕，太陽內(nèi)的物質(zhì)在這樣高的溫度和壓力下，發(fā)生著猛烈的核聚變反響。下，發(fā)生著猛烈的核聚變反響。地球上沒方法獲得宏大的壓力，只能經(jīng)過提高溫度來地球上沒方法獲得宏大的壓力，只能經(jīng)過提高溫度來彌補，不過這樣一來溫度要到上億度才可以發(fā)生熱核彌補，不過這樣一來溫度要到上億度才可以發(fā)生熱核反響。反響。:受控核聚變的原理受控核聚變的原理第一步，作為反

5、響體的混合氣必需被加熱到等離子第一步，作為反響體的混合氣必需被加熱到等離子態(tài)態(tài)也就是溫度足夠高到使得電子能脫離原子核也就是溫度足夠高到使得電子能脫離原子核的束縛，原子核能自在運動，這時才能夠使得原子的束縛，原子核能自在運動，這時才能夠使得原子核發(fā)生直接接觸，這個時候，需求大約核發(fā)生直接接觸，這個時候，需求大約1010萬攝氏度萬攝氏度的溫度。的溫度。第二步，為了抑制庫倫力，也就是同樣帶正電子的第二步，為了抑制庫倫力，也就是同樣帶正電子的原子核之間的斥力，原子核需求以極快的速度運轉(zhuǎn)，原子核之間的斥力，原子核需求以極快的速度運轉(zhuǎn)，繼續(xù)加溫到上億攝氏度，使原子核的布朗運動到達繼續(xù)加溫到上億攝氏度，使原

6、子核的布朗運動到達一個瘋狂的程度。氚和氘的原子核以極大的速度發(fā)一個瘋狂的程度。氚和氘的原子核以極大的速度發(fā)生碰撞，產(chǎn)生了新的氦核和新的中子，釋放出量。生碰撞，產(chǎn)生了新的氦核和新的中子，釋放出量。第三步，經(jīng)過一段時間，反響體曾經(jīng)不需求外來能第三步，經(jīng)過一段時間，反響體曾經(jīng)不需求外來能源的加熱，核聚變的溫度足夠使得原子核繼續(xù)發(fā)生源的加熱，核聚變的溫度足夠使得原子核繼續(xù)發(fā)生聚變。只需將氦原子核和中子及時排除，新的氚和聚變。只需將氦原子核和中子及時排除，新的氚和氘的混合氣被輸入到反響體，核聚變就能繼續(xù)下去，氘的混合氣被輸入到反響體，核聚變就能繼續(xù)下去，產(chǎn)生的能量一小部分留在反響體內(nèi)，維持鏈式反響，產(chǎn)生

7、的能量一小部分留在反響體內(nèi)，維持鏈式反響，大部分可以輸出，作為能源來運用。大部分可以輸出，作為能源來運用。:迄今為止，人類還沒有造出任何能經(jīng)受1萬攝氏度的化學構造。核聚變?nèi)绱烁叩臏囟葲]有任何一種固體物質(zhì)可以接受如此高溫的反響體。早在50年前，兩種約束高溫反響體的實際就產(chǎn)生了。1，慣性約束核聚變2，磁力約束核聚變托卡馬克可控核聚變方式可控核聚變方式1 1，慣性約束：，慣性約束：這一方法是把幾毫克的氘和氚的混合氣體或固體，裝入直徑約幾毫這一方法是把幾毫克的氘和氚的混合氣體或固體，裝入直徑約幾毫米的小球內(nèi)。從外面均勻射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而米的小球內(nèi)。從外面均勻射入激光束或粒子束，球面因

8、吸收能量而向外蒸發(fā)，受它的反作用，球面內(nèi)層向內(nèi)擠壓反作用力是一種慣向外蒸發(fā)，受它的反作用，球面內(nèi)層向內(nèi)擠壓反作用力是一種慣性力，靠它使氣體約束，所以稱為慣性約束，就像噴氣飛機氣體性力，靠它使氣體約束，所以稱為慣性約束，就像噴氣飛機氣體往后噴而推進飛機前飛一樣，小球內(nèi)氣體受擠壓而壓力升高，并伴往后噴而推進飛機前飛一樣，小球內(nèi)氣體受擠壓而壓力升高，并伴隨著溫度的急劇升高。當溫度到達所需求的點火溫度大約需求幾隨著溫度的急劇升高。當溫度到達所需求的點火溫度大約需求幾十億度時，小球內(nèi)氣體便發(fā)生爆炸，并產(chǎn)生大量熱能。這種爆炸十億度時，小球內(nèi)氣體便發(fā)生爆炸，并產(chǎn)生大量熱能。這種爆炸過程時間很短，只需幾個皮秒

9、過程時間很短，只需幾個皮秒1 1皮等于皮等于1 1萬億分之一。如每秒鐘萬億分之一。如每秒鐘發(fā)生三四次這樣的爆炸并且延續(xù)不斷地進展下去，所釋放出的能量發(fā)生三四次這樣的爆炸并且延續(xù)不斷地進展下去，所釋放出的能量就相當于百萬千瓦級的發(fā)電站。就相當于百萬千瓦級的發(fā)電站。:磁力約束托卡馬克：磁力約束托卡馬克：托卡馬克托卡馬克(Tokamak)(Tokamak)核聚變是一種利用磁約束來實現(xiàn)受控的核聚變。核聚變是一種利用磁約束來實現(xiàn)受控的核聚變。根據(jù)帶電粒子在磁場中的運動可知，帶電粒子在垂直于磁場的方向根據(jù)帶電粒子在磁場中的運動可知，帶電粒子在垂直于磁場的方向遭到洛倫茲力。只需磁場只需足夠大，帶正電的原子核

10、就跑不出磁遭到洛倫茲力。只需磁場只需足夠大，帶正電的原子核就跑不出磁場。場。建立一個環(huán)形的磁場，原子核就只能沿著磁力線的方向，沿著螺旋建立一個環(huán)形的磁場，原子核就只能沿著磁力線的方向，沿著螺旋形運動，跑不出磁場的范圍。在環(huán)形磁場之外建一個換熱安裝此形運動，跑不出磁場的范圍。在環(huán)形磁場之外建一個換熱安裝此時反響體的能量只能以熱輻射的方式傳到換熱體，然后再運用人時反響體的能量只能以熱輻射的方式傳到換熱體，然后再運用人類曾經(jīng)很熟習的方法，把熱能轉(zhuǎn)換成電能就是了。類曾經(jīng)很熟習的方法，把熱能轉(zhuǎn)換成電能就是了。:早在1954年，在原蘇聯(lián)庫爾恰托夫原子能研討所就建成了世界上第一個托卡馬克安裝。貌似很順利吧？

11、其實不然，要想可以投入實踐運用，必需使得輸入安裝的能量遠遠小于輸出的能量才行，我們稱作能量增益因子Q值。當時的托卡馬克安裝是個很不穩(wěn)定的東西，搞了十幾年，也沒有得到能量輸出，直到1970年，前蘇聯(lián)才在改良了很多次的托卡馬克安裝上第一次獲得了實踐的能量輸出，不過Q值只需10億分之一。別小看這個十億分之一，這使得全世界看到了希望，于是全世界都在這種鼓勵下大干快上，紛紛建立起本人的大型托卡馬克安裝：歐洲建立了結(jié)合環(huán)-JET，蘇聯(lián)建立了T15，日本的JT-60和美國的TFTR。這些托卡馬克安裝一次次把能量增益因子Q值的紀錄刷新。1991年歐洲Q值達0.12。1993年，美國Q值到達了0.28。2019

12、年9月，歐洲Q值達0.60。三個月以后，日本Q值可以到達1。后來，Q值又超越了1.25。這是第一次Q值大于1。中國在70年代就建立了數(shù)個實驗環(huán)托卡馬克安裝環(huán)流一號HL-1和CT-6，后來又建立了HT-6,HT-6B，以及改建了HL1M，新建了流2號。TOKAMAK受控核聚變的開展受控核聚變的開展:什么是什么是“超導托卡馬克安裝超導托卡馬克安裝托卡馬克安裝的中心就是磁場，托卡馬克安裝越接近適用就要產(chǎn)生越強的磁場。用于產(chǎn)生磁場的線圈，由于有電阻而使得線圈的效率降低，同時限制經(jīng)過大的電流，不能產(chǎn)生足夠的磁場。假設把線圈資料做成超導體，這就是超脫卡馬克。目前為止，世界上有4個國家有各自的大型超脫卡馬克

13、安裝法國的ToreSupra，俄羅斯的T-15，日本的JT-60U，中國的EAST。合肥EAST全超導非圓截面核聚變實驗安裝除了EAST以外，其他四個大約都只能叫“準超托卡馬克，它們的程度線圈是超導的，垂直線圈那么是常規(guī)的，因此還是會遭到電阻的困擾。此外他們?nèi)齻€的線圈截面都是圓形的，而為了添加反響體的容積，EAST那么第一次嘗試做成了非圓形截面。:中國在這個領域有先天的優(yōu)勢，加上機遇很好，走到世界第一集團。先天優(yōu)勢：我們有王淦昌先生這樣一批實際上的巨匠，使得我們的根底并不落后。國家對于能源的注重不是一天兩天了，自1956年的12年科學規(guī)劃以來，核聚變的研討曾經(jīng)進展了半個世紀，積累了大量的閱歷。

14、還有一個上帝送給我們的好禮物：內(nèi)蒙古白云鄂博的稀土資源。它使得我們的超導工藝和激光技術并不落后這可是受控核聚變的重要組成部分。機遇好：一方面是當年蘇聯(lián)解體，俄羅斯賤賣家底，我們得到了俄國的HT-7超脫卡馬克，使我們跨越性的認識了這一系統(tǒng)。另一方面，國際扯皮使得ITER拖了近20年，我們博得了追上去的時機。中國人在這個關乎人類生存的領域，總算占有了一席之地。中國在受控核聚變領域的開展中國在受控核聚變領域的開展:國際熱核聚變實驗堆國際熱核聚變實驗堆ITERITER組織組織2019年11月21日，我國與歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國共同簽署了和。ITER方案是目前全球規(guī)模最大、經(jīng)費投入最多、影

15、響最深遠的艱苦國際科學工程之一，它吸引了世界主要國家的頂尖科學家。ITER方案的實施結(jié)果將影響人類能否大規(guī)模地運用聚變能，從而從根本上處理能源問題的進程。 國際熱核聚變實驗堆建在法國:金屬的輻照損傷和輻照效應金屬的輻照損傷和輻照效應金屬遭到高能粒子輻照后可以產(chǎn)生種種宏觀性質(zhì)的變化,這一景象叫作“輻照效應。由于高能粒子和金屬的點陣原子實發(fā)生一系列碰撞，從而在金屬內(nèi)部產(chǎn)生大量的點缺陷。而這種碰撞的原始微觀過程叫作“輻照損傷。 輻照損傷和輻照效應各有不同的含義。輻照損傷著重討論輻照粒子所呵斥的點缺陷的數(shù)目和組態(tài)，而輻照效應那么是研討這些點缺陷進一步的行為和后果。從過程所發(fā)生的時間來看，輻照損傷所涉及

16、的原始微觀過程只發(fā)生在10-11秒之內(nèi)，而輻照效應所討論的缺陷遷移過程那么需求假設干毫秒甚至幾個月。:輻照損傷輻照損傷 輻照時的入射粒子可以是中子，也可以是帶電粒子輻照時的入射粒子可以是中子，也可以是帶電粒子, ,如質(zhì)子如質(zhì)子,(,(氦氦核核He2 ),He2 ),或碳、鎳之類的重離子等?；蛱肌㈡囍惖闹仉x子等。下面以中子為例闡明輻照損傷的各種過程：下面以中子為例闡明輻照損傷的各種過程：1 1，產(chǎn)生空位缺陷。，產(chǎn)生空位缺陷。當中子和金屬點陣內(nèi)的某一靶原子的核當中子和金屬點陣內(nèi)的某一靶原子的核( (靶核靶核) )相碰撞，中子就將其相碰撞，中子就將其能量的一部分傳送給靶原子。假設所傳送的能量大于某

17、一個稱作離能量的一部分傳送給靶原子。假設所傳送的能量大于某一個稱作離位閾能位閾能(Ed)(Ed)的閾值普通約為的閾值普通約為25eV25eV，被擊原子就脫離它的平衡位，被擊原子就脫離它的平衡位置，成為一個初級擊出原子，并在原地留下一個空位。置，成為一個初級擊出原子，并在原地留下一個空位。2 2，使金屬內(nèi)部的一個微觀區(qū)域被迅速加熱到幾千度的溫度。，使金屬內(nèi)部的一個微觀區(qū)域被迅速加熱到幾千度的溫度。入射粒子或擊出原子與點陣原子相作用時也可以是掠射性小角度入射粒子或擊出原子與點陣原子相作用時也可以是掠射性小角度的低能傳送。這時靶原子并不離位而是在其平衡位置附近被迫振動，的低能傳送。這時靶原子并不離位

18、而是在其平衡位置附近被迫振動，并將這一振動能迅速傳送到周圍去。其效果有如金屬內(nèi)部的一個微并將這一振動能迅速傳送到周圍去。其效果有如金屬內(nèi)部的一個微觀區(qū)域被迅速加熱和冷卻。這個瞬時過程稱作熱峰。熱峰能夠在觀區(qū)域被迅速加熱和冷卻。這個瞬時過程稱作熱峰。熱峰能夠在10-10-1111秒的時間內(nèi)到達幾千度的溫度。秒的時間內(nèi)到達幾千度的溫度。:3，產(chǎn)生雜質(zhì)原子；入射粒子最后停留下來，或與靶原子核發(fā)生核反響產(chǎn)生新的元素嬗變作用，成為雜質(zhì)原子。例如，不銹鋼中的鎳可以經(jīng)過59Ni(n,)56Fe反響轉(zhuǎn)化成鐵和氦。 4，產(chǎn)生填隙等缺陷；思索到金屬內(nèi)的原子呈有序陳列，因此沿某一晶向的一列原子能夠發(fā)生一連串延續(xù)對撞，從而有換位碰撞，聚