核聚變研究簡介

1、核能的現(xiàn)狀與未來摘要：核能作為清潔能源，引起人們廣泛關(guān)注。本文就核能的現(xiàn)狀和未來進(jìn)行了論述，并重點(diǎn)講述了核聚變研究的進(jìn)展。關(guān)鍵詞：核能；核聚變；Present situation and future of nuclear power(College of power engineering，Chongqing University，Chongqing400044，China)Abstract：as a clean energy, Nuclear power is widely attention. This paper discussed the present and future of

2、nuclear power , and focused on the research progress of nuclear fusion. Keywords : Nuclear power; nuclear fusion; 0 引言能源短缺和環(huán)境惡化是21 世紀(jì)人類社會共同面臨的兩大難題, 此外, 我國能源還存在“ 人均資源占有量偏低”和“能源結(jié)構(gòu)不合理”兩大矛盾?！澳茉窗踩币呀?jīng)成為我國的核心安全問題之一?？紤]到煤、石油、天然氣等化石能源最終將枯竭，而水力、太陽能、風(fēng)能、潮汐和地?zé)岬饶茉词艿赜?、環(huán)境和氣候制約, 難以成為化石燃料的替代能源, 發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)和開發(fā)新的低碳的替代能源成為了本世

3、紀(jì)世界范圍的重大課題。作為低碳能源，核能引起人們廣泛關(guān)注。 核能分為核裂變能和核聚變能，重原子核( 如鈾和钚) 分裂時(shí)釋放的能量為核裂變能, 輕原子核( 如氘和氚) 聚合時(shí)釋放的能量為核聚變能。1 核能的現(xiàn)狀根據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)的最新統(tǒng)計(jì)，截至2007年8月22日，全世界共有439臺核電機(jī)組正在運(yùn)行，另外還有30座反應(yīng)堆系統(tǒng)正在建造中。核電總裝機(jī)容量達(dá)到近372 GW，滿足了世界約16和經(jīng)合組織(OECD)國家25的電力需求。由于政治經(jīng)濟(jì)等諸多因素，當(dāng)前西方國家的核電發(fā)展總體趨緩，核電在近期和遠(yuǎn)期的發(fā)展均集中在亞洲。截至2007年8月22日，在全世界30座在建反應(yīng)堆中，有17座在亞洲

4、。在最近并人電網(wǎng)的35座反應(yīng)堆中，有24座在亞洲。但這并不是說西方國家在核能利用上已停步不前。事實(shí)上他們在大力發(fā)展核電新技術(shù)、積極開發(fā)新一代核電站方面是非?；钴S的，其中尤以美國為代表，不僅開發(fā)了第三代核電技術(shù)，而且還領(lǐng)導(dǎo)了第四代核電技術(shù)的研發(fā)。自從20世紀(jì)50年代核電站誕生以來，世界核電建設(shè)經(jīng)歷了三個(gè)階段：實(shí)驗(yàn)示范階段(1965年以前)、高速推廣階段(19661980年)和滯緩發(fā)展階段(1981年至今)。開發(fā)了三代核反應(yīng)堆，第一代反應(yīng)堆以原型堆的形式在50、60年代投入應(yīng)用；第二代反應(yīng)堆以大型商業(yè)化核電站的形式在70年代出現(xiàn)并運(yùn)行至今，包括美國、歐洲和日本的壓水堆(PWR)與沸水堆(BWR)以

5、及俄羅斯的輕水堆(WWER)和加拿大開發(fā)的坎杜重水堆(CANDU)，第二代反應(yīng)堆已經(jīng)在經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等方面驗(yàn)證了核電的安全性能和競爭力；第三代反應(yīng)堆發(fā)展于9O年代，包括有美國研發(fā)的先進(jìn)沸水堆(ABWR)、改進(jìn)式先進(jìn)壓水堆(System 80+)和非能動(dòng)先進(jìn)壓水堆(AP1000)，以及法國推出的歐洲先進(jìn)壓水(EPR)。第三代反應(yīng)堆將安全作為首要參考因素，主要目標(biāo)是進(jìn)一步提高第二代反應(yīng)堆的安全性。此外，第四代反應(yīng)堆的研究工作也已經(jīng)逐步展開，這一代反應(yīng)堆是未來的革命性反應(yīng)堆系統(tǒng)，反應(yīng)堆和燃料循環(huán)都將有重大革新和發(fā)展。2 核能的未來核聚變物質(zhì)在低溫狀態(tài)下是固態(tài)，隨著溫度的升高會出現(xiàn)液態(tài)、氣態(tài)，氣態(tài)的物質(zhì)被

6、繼續(xù)加熱會出現(xiàn)等離子狀態(tài)，即在幾萬 以上時(shí)，氣體將全部發(fā)生電離，變成帶正電的離子和帶負(fù)電的自由電子。這種等離子體被約束在托卡馬克裝置的環(huán)形室腔體內(nèi)不與腔壁接觸，加熱電流繼續(xù)在這一環(huán)形室中流動(dòng)，與電流方向一致的強(qiáng)大外磁場保證了等離子體的穩(wěn)定。當(dāng)?shù)入x子體被加熱到l0 以上，滿足 r>l0H時(shí)，就會發(fā)生輕原子核轉(zhuǎn)為重原子核的核聚變反應(yīng)，1個(gè)氘和1個(gè)氚聚變?yōu)?個(gè)氦核、放出1個(gè)中子(能量為14 MeV)，伴隨著這一反應(yīng)放出17.6 MeV的巨大能量?，F(xiàn)在人類實(shí)現(xiàn)可控核聚變所使用的輕核只有氘與氚。核聚變反應(yīng)堆是一種滿足核聚變條件從而利用其能量的裝置。從目前看實(shí)現(xiàn)核聚變有2種方法，一一種是使用托卡馬克

7、裝置實(shí)現(xiàn)，托卡馬克是一環(huán)形裝置，通過約束電磁波驅(qū)動(dòng)，創(chuàng)造氘、氚實(shí)現(xiàn)聚變的環(huán)境和超高溫，實(shí)現(xiàn)對聚變反應(yīng)的控制；另一種方式是通過高能激光的方式實(shí)現(xiàn)。第一種方式已于20世紀(jì)90年代初實(shí)現(xiàn)，目前正在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)；第二種方式已接近突破的邊緣。由于核聚變是在極高的溫度下完成的，所以又常稱其為熱核反應(yīng)。圖1為氘一氚反應(yīng)堆熱核發(fā)電原理示意圖圖1 氘一氚反應(yīng)堆熱核發(fā)電原理示意圖1 注入器；2 氚；3氘；4 水；5鋰；6 等離子體；7夾層；8 磁線圈；9一蒸汽發(fā)生器；1O蒸汽；11汽輪機(jī)；12發(fā)電機(jī)； 13 電動(dòng)率輸出；14冷疑器；15 水；16 氚分離器3 核聚變發(fā)電的優(yōu)勢3.1 聚變?nèi)剂县S富由核聚變原理可知，

8、實(shí)現(xiàn)核聚變的條件是極其苛刻的。目前人類實(shí)現(xiàn)的第一代可控核聚變的燃料還只限于用氘與氚。氘在自然界中的含量是極其豐富的，海水里的氘占0015 ，地球上有海水137×10 km3，所以氘的總儲量為2×10 t，所以可利用的核聚變?nèi)剂蠋缀跏侨≈槐M的。這些氘通過核聚變釋放的聚變能，可供人類在很高的消費(fèi)水平下使用達(dá)50億年。核聚變反應(yīng)的另外一種元素氚，在自然界中實(shí)際上是不存在的。但它可以在普通反應(yīng)堆中通過用中子照射鋰而得到或在將來的熱核反應(yīng)堆中生產(chǎn)出來。用現(xiàn)代技術(shù)在全世界可以提取鋰1 000萬t，我國西藏地區(qū)具有世界上最豐富的鋰資源。海洋中可以提取2 000億t鋰，熱功率為300萬k

9、w 的機(jī)組，每晝夜的用氚量只有05 kg，所以地球上的鋰儲量足以保障人類對聚變能源的應(yīng)用。美國威斯康星大學(xué)的科學(xué)家小組早已提出了熱核反應(yīng)的其他建議。即應(yīng)用反應(yīng)式它是碳燃燒反應(yīng)的倍。這一反應(yīng)的基礎(chǔ)上是，原蘇聯(lián)和美國對宇宙考察后，發(fā)現(xiàn)月球表面的土壤中含有大量的。經(jīng)核算表明，按現(xiàn)代技術(shù)從月球上開采運(yùn)回地球所耗費(fèi)的能量僅在核聚變裝置中放出能量的0.25 ，如果為燃料來保證美國的電力供應(yīng)，每年只需宇宙飛船往返12次。月球上的儲量至少為10t，約相當(dāng)于t標(biāo)準(zhǔn)煤的能量。因此第一代核聚燃料是極其豐富的。3.2 聚變堆的安全性較高與核裂變相比，熱核聚變不但資源無限易于獲得，其安全性也是核裂變反應(yīng)堆無法與之相比的

10、。熱核反應(yīng)堆如果在事故狀態(tài)釋能增加時(shí)，等離子體與放電室壁的相互作用強(qiáng)度則增大，由此進(jìn)入等離子體的雜質(zhì)隨之增加。這樣就會導(dǎo)致等離子體的溫度下降使釋能速度放慢以致停止聚變反應(yīng)。熱核反應(yīng)裝置的能量密度低，結(jié)構(gòu)材料活化剩余釋熱水平不高，這些特點(diǎn)均有助于提高熱核反應(yīng)堆的安全性。在第一代以氘氚為燃料的熱核反應(yīng)堆中，電功率為1 GW 商用堆，其氚的含量約為10kg，大部分分散在再生材料、腔體材料和凈化系統(tǒng)中，在熱核堆最嚴(yán)重的事故狀態(tài)下，是10 kg帶有放射性的氚全部泄漏在反應(yīng)堆大廳內(nèi)的水中。但在通風(fēng)等各種措施的作用下，幾小時(shí)就可以恢復(fù)到輻射的安全水平(氚的半衰期是12.5 年，發(fā)出能量小于20MeV的電子，

11、其穿透能很低，對人類的危害是進(jìn)入人體器官內(nèi)部)。通過100 m高的煙囪排放氚水氣，對應(yīng)鄰近地區(qū)的放射性劑量相當(dāng)于2×10sva，這一水平遠(yuǎn)低于天然輻射本底(1 msva)，與國際放射性防護(hù)委員會推薦的最大容許劑量(對工作人員是50 sva，對居民是5 sva)相比，可以說是相當(dāng)安全的。4 核聚變研究現(xiàn)狀4.1 IT ER 計(jì)劃及其深遠(yuǎn)影響為了開發(fā)利用核聚變能, 人類經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的艱苦探索. 從20 世紀(jì)40 年代末起, 投入科學(xué)家及工程師上千人, 經(jīng)費(fèi)總計(jì)每年超過10 億美元. 在這個(gè)過程中, 人們對開發(fā)聚變能源難度的認(rèn)識也逐步深化。從20 世紀(jì)70 年代開始, 原蘇聯(lián)科學(xué)家提出

12、的托克馬克途徑逐漸顯示出獨(dú)特優(yōu)勢, 成為磁約束核聚變研究的主流。托克馬克裝置又稱環(huán)流器, 等離子體被約束在磁籠中, 形成一個(gè)中空的面包圈,并有很強(qiáng)的環(huán)電流。隨著各國不同規(guī)模的托克馬克裝置的建成、運(yùn)行和實(shí)驗(yàn), 托克馬克顯示了較為光明的前景。聚變等離子體溫度達(dá)到億度, 等離子體約束明顯改善. 20 世紀(jì)90 年代, 歐洲、日本、美國大型托克馬克裝置取得突破性進(jìn)展, 得到16MW聚變功率輸出。聚變能的科學(xué)可行性基本得到驗(yàn)證。由于核聚變能源開發(fā)是人類共同面臨的科學(xué)技術(shù)挑戰(zhàn), 一項(xiàng)以驗(yàn)證磁約束聚變能科學(xué)可行性和工程技術(shù)可行性為目標(biāo)的國際熱核實(shí)驗(yàn)堆( ITER) 計(jì)劃已經(jīng)正式啟動(dòng), 該計(jì)劃集成了國際受控核

13、聚變的主要科學(xué)和技術(shù)成果。 預(yù)計(jì)ITER 計(jì)劃建設(shè)周期為10年, 裝置建成后運(yùn)行20年, 退役5年。ITER 計(jì)劃將集成驗(yàn)證穩(wěn)態(tài)燃燒等離子體科學(xué)問題和部分驗(yàn)證聚變電站工程技術(shù)問題。 IT ER 計(jì)劃的實(shí)施, 標(biāo)志著磁約束核聚變研究已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際的能源開發(fā)階段,其結(jié)果將決定人類能否迅速地、大規(guī)模地使用聚變能源, 從而影響人類從根本上解決能源問題的進(jìn)程。ITER計(jì)劃是1985年由美蘇首腦倡議、國際原子能機(jī)構(gòu)IAEA 支持的超大型國際合作項(xiàng)目, 旨在驗(yàn)證磁約束聚變能科學(xué)可行性和工程技術(shù)可行性。1988年歐、美、日、俄四方開始進(jìn)行工程設(shè)計(jì), 1998年完成工程設(shè)計(jì)。其后, 依據(jù)先進(jìn)托卡馬克運(yùn)行模式的科學(xué)

14、基礎(chǔ), 重新對原設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化, 并于2001 年完成設(shè)計(jì)。改進(jìn)后的設(shè)計(jì)稱為ITER -FEAT ( fusion energy advanced Tokamak) , 即現(xiàn)在的ITER 計(jì)劃, 圖2給出了ITER 裝置的剖面(示意)圖。根據(jù)新的設(shè)計(jì), IT ER 裝置的造價(jià)由原來100億美元降至50億美元. 參與ITER 計(jì)劃的7方于2006年11月21日簽署了國際熱核實(shí)驗(yàn)堆聯(lián)合實(shí)施協(xié)定。 根據(jù)協(xié)定,IT ER 裝置將建在法國南部的Cadarache中心(馬賽以北約60公里處) , 預(yù)計(jì)2018 年完成建造并投入運(yùn)行, 設(shè)計(jì)聚變功率輸出5070萬千瓦, 等離子體放電脈沖5001000s。

15、 除了等離子體指標(biāo)外, 該計(jì)劃還涉及大型超導(dǎo)磁體、等離子體加熱及電流驅(qū)動(dòng)、堆芯部件遠(yuǎn)距離操作維修、涉氚技術(shù)等聚變堆工程技術(shù)問題。 如果ITER 裝置如期建成并達(dá)到預(yù)期目標(biāo),百萬千瓦級的示范聚變電站可望在2030年前后開始建造, 并在2050年前后實(shí)現(xiàn)核聚變能源商用化。圖2 IT ER 裝置及我國承制的部件示意圖IT ER 裝置由多個(gè)系統(tǒng)和部件組合成, 主要系統(tǒng)有磁場線圈系統(tǒng)、真空室系統(tǒng)、真空室內(nèi)部件( 屏蔽包層模塊和偏濾器部件) 、低溫恒溫器、水冷系統(tǒng)、低溫站、加熱和電流驅(qū)動(dòng)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。 在開展設(shè)計(jì)研究的同時(shí), 歐、美、日等國用了近16 年時(shí)間, 花費(fèi)了

16、約15億美元進(jìn)行了ITER 部件的預(yù)研, 解決了大部分部件制造的關(guān)鍵技術(shù)和生產(chǎn)工藝問題, 其中包括中心螺管線圈、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)鍵部件的攻關(guān)與試制。根據(jù)聯(lián)合實(shí)施協(xié)定, 所有的部件將由7個(gè)參與方分別研制和提供, 并按規(guī)定時(shí)間節(jié)點(diǎn)提交安裝。經(jīng)過分解, ITER 裝置的部件被拆分成22個(gè)采購包,97個(gè)子包。 除少量部件用可用現(xiàn)金直接從市場采購?fù)? 大多數(shù)部件( 采購包) 需要進(jìn)行研制并通過質(zhì)量認(rèn)證方能使用, 其中的涉核部件還必須通過法國原子能委員會的審查并發(fā)放許可證. 我國承擔(dān)了12個(gè)子包(分屬6個(gè)采購包) 的制造任務(wù), 預(yù)計(jì)

17、研制費(fèi)和加工費(fèi)達(dá)40億元人民幣. 涉及到的部件( 材料) 為:磁體支撐、包層第一壁、包層屏蔽體、氣體閥門箱和輝光放電清洗系統(tǒng)、修正場線圈、磁體引線、高壓變電站設(shè)備、交直流轉(zhuǎn)換器、環(huán)向場磁體線圈導(dǎo)體、極向場磁體線圈導(dǎo)體、傳送車系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)( 中子通量測量、光學(xué)測量、朗繆爾探針) 等。12 個(gè)子采購包分別標(biāo)于圖1兩側(cè), 箭頭所指為部件位置。氚的增殖、回收、純化與再循環(huán)是未來聚變電站核心技術(shù)之一。 ITER 實(shí)驗(yàn)包層模塊( 簡稱IT ERTBM) 項(xiàng)目的研究目標(biāo)即驗(yàn)證氚增殖及氚的提取與純化。目前, 各國IT ER- TBM的設(shè)計(jì)方案都是基于本國的聚變能源開發(fā)戰(zhàn)略和示范堆的定義來確定的, 基本集中在

18、以下5種概念: ( 1) 氦冷/ 固態(tài)鋰陶瓷氚增殖劑/ 鐵素體馬氏體鋼結(jié)構(gòu)材料; ( 2) 氦鋰雙冷(或氦單冷) / 液態(tài)鋰鉛增殖劑/ 鐵素體鋼馬氏體鋼結(jié)構(gòu)材料; ( 3) 水冷/ 固態(tài)鋰陶瓷氚增殖劑/ 鐵素體鋼馬氏體鋼結(jié)構(gòu)材料; ( 4) 液態(tài)鋰增殖劑自冷/ 釩基合金結(jié)構(gòu)材料; ( 5) 熔鹽增殖劑自冷。 根據(jù)國際聚變技術(shù)的發(fā)展趨勢, 氦冷/ 鋰陶瓷氚增殖劑/ 鐵素體鋼馬氏體鋼結(jié)構(gòu)材料( HCSB) , 和氦鋰雙冷(或氦單冷) /液態(tài)鋰鉛增殖劑/ 鐵素體鋼馬氏體鋼結(jié)構(gòu)材料( DCLL) , 是示范堆( DEMO) 包層首選的兩種概念。圖3和圖4分別給出了示范堆兩種包層概念設(shè)計(jì)的示意圖。圖3

19、H CSB 示范堆包層示意圖圖4 DCLL 示范堆包層示意圖4.2 我國在核聚變研究中的進(jìn)展我國的受控核聚變研究始于20 世紀(jì)50 年代中期, 核工業(yè)西南物理研究院和中國科學(xué)院等離子體物理所是從事磁約束核聚變研究的專業(yè)單位。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)、中國科學(xué)院物理研究所、華中科技大學(xué)、中國原子能科學(xué)研究院、北京科技大學(xué)等單位也開展了相關(guān)研究工作。經(jīng)過50余年的努力, 我國先后共建造了30多臺核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。我國自行設(shè)計(jì)建造的中國環(huán)流器一號( H L-1) 裝置于1984年在核工業(yè)西南物理研究院建成, 標(biāo)志著我國核聚變研究由原理性探索進(jìn)入到規(guī)?；瘜?shí)驗(yàn)研究階段, 該裝置獲國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。19

20、95年又成功建造了中國環(huán)流器新一號( HL-1M) 裝置, 該裝置達(dá)到國際同類型同規(guī)模裝置的先進(jìn)水平。我國第一個(gè)具有偏濾器位形的大型托卡馬克中國環(huán)流器二A( HL-2A)裝置于2002年建成, 并成功投入實(shí)驗(yàn)運(yùn)行, 等離子體電子溫度達(dá)到5500萬度. 中國科學(xué)院等離子體物理研究所先后建成了HT-6B、HT-6M銅導(dǎo)體托卡馬克裝置和HT-7、EAST ( 先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置) , 并進(jìn)行了長脈沖放電實(shí)驗(yàn), 其中EAST 也獲得國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)、中國科學(xué)院物理研究所、華中科技大學(xué)、北京科技大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)也在核聚變研究領(lǐng)域開展工作, 培養(yǎng)聚變?nèi)瞬?。圖5、圖6、圖7分別為中國環(huán)流器一號( H L-1)、中國環(huán)流器二號A( HL-2A)、中國超導(dǎo)托卡馬克EAST。圖5中國環(huán)流器一號( H L-1)圖6中國環(huán)流器二號A( HL-2