新能源-核能結(jié)課論文

1、 南京理工大學(xué)課程報(bào)告姓 名學(xué) 號：學(xué)院（系）:自動化學(xué)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(dǎo)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?fàn)顩r。接下來分析了受控核聚變的定義，以及當(dāng)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(dāng)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?fàn)顩r，以及我國神光工

2、程在約束核聚變中研究。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(shí)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 c

3、ontrolled 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 analyz

4、es 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. Peopl

5、e still 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1 引言能源與生活息息相關(guān)。我們不得不承認(rèn)，我們正面臨著前所未有的能源危機(jī)。開發(fā)利用新能源已是迫在眉睫的任務(wù)了。當(dāng)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

6、變和聚變。裂變已經(jīng)廣泛用于發(fā)電領(lǐng)域。全球的核電站已達(dá)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(shí)現(xiàn)是一件十分復(fù)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(dāng)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(diǎn)：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(yùn)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(yùn)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(jìn)行發(fā)電的難題。一旦題將將得到徹底的解決。正因?yàn)楹司圩冇兄L遠(yuǎn)的意義，世界發(fā)達(dá)國家不斷地投入大量的人力，物力和財(cái)力對它進(jìn)行研究開發(fā)

7、。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(jì) 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(yuǎn)的目的。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。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 24He 01n 17.6MeV從這個反

8、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(yùn)藏著11 .47 1031 J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。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(shí)現(xiàn)了受控核聚變。在蜘蛛俠2中章魚博士所使用的能

9、源，就是受控核聚變。受控核聚變的研究途徑從上世紀(jì)50年代到現(xiàn)在，人們傾注了大量的精力來研究核聚變?，F(xiàn)在我們?nèi)匀徽J(rèn)為離實(shí)現(xiàn)受控核聚變發(fā)電還有相當(dāng)長的路要走?？茖W(xué)家保守估計(jì)，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( inertial confinement fusion ,ICF ) 。 本文將在第3節(jié)和第 4節(jié)中對它們進(jìn)行介紹和分析。

10、但是， 不它們離真正的經(jīng)濟(jì)應(yīng)用，還是有相當(dāng)長的距離。里面還有各種技術(shù)難題要解決。2.2.3 實(shí)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(dāng)把聚變的核原料加熱到很高的溫度時(它們離真正的經(jīng)濟(jì)應(yīng)用，還是有相當(dāng)長的距離。里面還有各種技術(shù)難題要解決。2.2.3 實(shí)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(dāng)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

11、。但這樣還只是提供了碰撞的速度，還應(yīng)該對核原料進(jìn)行約束，使它們達(dá)到足夠高的密度。這樣就可以使氘和氚有了足夠大可能進(jìn)行碰撞發(fā)生聚變。這就是實(shí)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(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)受控核聚變是相當(dāng)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(fù)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(fù)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(cái)力。圖 2 物質(zhì)的四種狀態(tài)2)點(diǎn)火問題和材料問題。要想啟動核聚變反

12、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(jìn)行。首先，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(qiáng)大的磁場。強(qiáng)大的磁場是由高電流產(chǎn)生的，這就要求所用的導(dǎo)體為超導(dǎo)材料， 目前還沒有解決高溫超導(dǎo)材料的問題。圖 3 列出了高溫超導(dǎo)體材料的研究，現(xiàn)在高溫超導(dǎo)體材料的最高臨界溫度為165K，還是很低。3 高溫超導(dǎo)材料發(fā)展4 托卡馬克裝置示意圖3 高溫超導(dǎo)材料發(fā)展4 托卡馬克裝置示意圖3)中子的輻射問題。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

13、。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(dāng)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(jìn)行約束和壓縮，使它們達(dá)到受控核聚變的點(diǎn)火條件，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的核聚變反應(yīng)。點(diǎn)火條件是指：81) 反應(yīng)堆的溫度高于10 K ；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；通過磁約束核聚變實(shí)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

14、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(xué)家阿莫維奇等人在上世紀(jì)50 年代發(fā)明的。它是一種利用磁約束實(shí)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(jìn)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(shí)際生活中連續(xù)運(yùn)行還是有較大的差距?，F(xiàn)在，超導(dǎo)技術(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(dǎo)裝置進(jìn)行核聚

15、變的研究已成為國際的一股熱潮。3.1.1 托卡馬克裝置的工作原理圖 5 托卡馬克裝置的實(shí)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?？v場線圈的主要作用是用來產(chǎn)生強(qiáng)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(jìn)而發(fā)生核聚變反應(yīng)。聚變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(zhǔn)備了條件。當(dāng)?shù)入x子體被加熱到幾千萬甚至幾億度時，原子核之

16、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(yùn)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(shí)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(shí)現(xiàn)了加熱。這種加熱方式要先用加速器對粒子進(jìn)行加速，因此成本比較高。真

17、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(jī)械強(qiáng)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(qiáng)為10 6 Pa以下的超真空。3.3 ITER 計(jì)劃國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃簡稱ITER 計(jì)劃。該提議起源于1985 年，在 1988 年進(jìn)行了設(shè)計(jì)工作。 在 2001 年時完成了工程的設(shè)計(jì)，此時已經(jīng)耗資 15 億美元。為了我國能源的長遠(yuǎn)考慮，我國政府堅(jiān)持參與ITER 計(jì)劃。在2003 年時，我國決定正式參與ITER 計(jì)劃談判?，F(xiàn)在 ITER計(jì)劃中有7 個成員國，即中國，歐盟，韓國，俄羅斯，日本， 印度和美

18、國。在 1998 年時， 評估 ITER 建 設(shè) 的 總 投 資 為 50 億 美 元 。3.2 我國磁約束核聚變的發(fā)展從上世紀(jì)50 年代， 我國就進(jìn)行了核聚變的研究，主要集中在西南物理研究院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(yùn)行。1994 年，我國研制出了HT-7 超導(dǎo)托卡馬克，標(biāo)志著我國成為了世界上第四個擁有超導(dǎo)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 EAST 實(shí)驗(yàn)裝置。隨后， 在 2006 年， 我國對 EAST 實(shí)現(xiàn)了第一點(diǎn)火，這在當(dāng)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

19、套中性束注入器（NBI ）兆瓦級強(qiáng)流離子源的大功率離子束，并獲得引出實(shí)驗(yàn)成功，標(biāo)志著 EAST升級為 EAST-NBI 。圖 7 ITER 示意圖如圖 7 所示， ITER 計(jì)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(dāng)今世界的頂尖技術(shù)，如：中能高流強(qiáng)加速器技術(shù)，超導(dǎo)技術(shù)，連續(xù)、大功率毫米波技術(shù)，復(fù)雜的控制技術(shù)等等。慣性約束核聚變慣性約束核聚變是在上世紀(jì)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(dá)到反應(yīng)的溫度，并讓它進(jìn)行壓縮，從而達(dá)到了點(diǎn)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

20、8 慣性約束核聚變?nèi)鐖D 8 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，燃料在不斷的向中心擠壓。若小球照射前的半徑為R1， 壓縮到最后時的半徑為R2，則壓縮比為R1/R2。R1/R2這一個比值可以達(dá)到30 左右。 溫度也可以達(dá)到很高。當(dāng)溫度達(dá)到點(diǎn)火的溫度時，則小球內(nèi)的混合氣體就會發(fā)生爆

21、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(dāng)于百萬千瓦級的發(fā)電站。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。）無論用的是激光束還是粒子束，它們的功率都還沒有達(dá)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(dǎo)致壓縮不均勻，爆炸率不高。3）爆炸方法的改良。中心爆炸點(diǎn)火的方法不一定是最好的方案。是否還存更好更經(jīng)濟(jì)的方案。很多國家都在努力的研究和探索最優(yōu)的點(diǎn)火方

22、法。美國的 NIF 裝置美國的國家點(diǎn)火裝置于1997 年開始建造，由于諸多政權(quán)和嚴(yán)重超出預(yù)算，使它原本計(jì)劃5 年完成的項(xiàng)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(jì)進(jìn)入的孔。9 建設(shè)中的NIF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(dá)一公里。圖6 中的設(shè)備目的是讓192 臺激光裝置在10 億分 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(dá)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

23、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(shí)現(xiàn)了點(diǎn)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。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(shí)驗(yàn)的成果就是從它那里獲得的。神光是我國進(jìn)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(shí)驗(yàn)手段，它是該領(lǐng)域的重要實(shí)驗(yàn)平臺。神光-原型裝置建設(shè)目標(biāo)已圓滿完成，它能達(dá)到“8 束出光，脈沖-萬焦耳”的水平。這些成就標(biāo)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(dú)立研究、建設(shè)新一代高功率激光驅(qū)動器能力的國家慣性約束聚變點(diǎn)火工程已經(jīng)被確定為國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃的十六項(xiàng)重大專項(xiàng)之一。神光系列裝置研究的最終目標(biāo)就是