等離子體物理與核聚變

等離子體物理與核聚變第1頁(yè)，共16頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第2頁(yè)，共16頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所科研簡(jiǎn)介

遵照敬愛(ài)的周恩來(lái)總理關(guān)于受控?zé)岷朔磻?yīng)研究應(yīng)當(dāng)“兩條腿走路，百家爭(zhēng)鳴”的指示，中國(guó)科學(xué)院于1973年2月建立了“合肥受控?zé)岷藢?shí)驗(yàn)站”并于1978年9月成立了等離子體物理研究所，成為中國(guó)科學(xué)院唯一從事核聚變研究的大科學(xué)工程性研究所。在歷屆所領(lǐng)導(dǎo)班子的帶領(lǐng)下，經(jīng)過(guò)多年的努力，形成了以等離子體物理和核聚變工程技術(shù)研究為主要研究方向及離子束生物工程、強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)和技術(shù)-應(yīng)用等離子體研究多學(xué)科發(fā)展的格局。承擔(dān)著國(guó)家大科學(xué)工程建設(shè)、國(guó)家“八六三”計(jì)劃、國(guó)家計(jì)委、國(guó)家基金委的多項(xiàng)重大科研項(xiàng)目，成為我國(guó)主要的核聚變研究基地。

1994年12月在合肥中科院等離子體物理研究所勝利建成的中國(guó)第一個(gè)超導(dǎo)托卡馬克裝置HT-7，是中國(guó)聚變研究走向世界的重要里程碑。HT-7的建成在國(guó)際上產(chǎn)生了積極和深遠(yuǎn)的影響，使中國(guó)成為繼俄、法、日之后，世界上第四個(gè)擁有超導(dǎo)托卡馬克的國(guó)家。第3頁(yè)，共16頁(yè)，2023年，2月20日，星期四能源----人類發(fā)展的動(dòng)力能源危機(jī)不容忽視！第4頁(yè)，共16頁(yè)，2023年，2月20日，星期四世界人口發(fā)展以及能源消耗到2100年，世界人口將達(dá)到百億。人口的增長(zhǎng)，隨之而來(lái)得是人類對(duì)能源的需求，而今天人類能源的主要來(lái)源都是地球上的“化石能源”，包括石油，煤，天然氣等。

人類自1973年以來(lái)，共向地球索取了5000億桶（約合800億噸）石油，剩下的石油按現(xiàn)有生產(chǎn)水平匡算，還可保證開(kāi)采44年。天然氣也只能持續(xù)開(kāi)采56年，一些國(guó)家的煤炭資源已采掘殆盡。第5頁(yè)，共16頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

礦物能源不僅造成各種污染和“溫室效應(yīng)”，而且大約在200年之內(nèi)，石油、煤和天然氣資源都有枯竭之虞。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，核能將是繼石油、煤和天然氣之后的主要能源，人類將從“石油文明”走向“核能文明”。

核能----未來(lái)能源的選擇世界上的每一種物質(zhì)都處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有時(shí)會(huì)分裂或合成，變成另外的物質(zhì)。物質(zhì)無(wú)論是分裂或合成，都會(huì)產(chǎn)生能量。由兩個(gè)氫原子合為一個(gè)氦原子，就叫核聚變，太陽(yáng)就是依此而釋放出巨大的能量。大家熟悉的原子彈則是用裂變?cè)碓斐傻?，目前的核電站也是利用核裂變而發(fā)電。

原子彈氫彈第6頁(yè)，共16頁(yè)，2023年，2月20日，星期四什么是核聚變？核聚變由較輕的原子核聚合成較重的較重的原子核而釋出能量。最常見(jiàn)的是由氫的同位素氘和氚聚合成較重的原子核如氦而釋出能量。

地球上風(fēng)能，水能，以及生物生長(zhǎng)的能量等等幾乎都來(lái)自于太陽(yáng)，而太陽(yáng)表面所發(fā)生的就是核聚變反應(yīng)。太陽(yáng)本身就是一個(gè)超大的核聚變反應(yīng)堆。第7頁(yè)，共16頁(yè)，2023年，2月20日，星期四等離子體物質(zhì)的第四態(tài)，也是存在最廣泛的一種物態(tài),目前觀測(cè)到的宇宙物質(zhì)中,99%都是等離子體。研究核聚變的基礎(chǔ)是近億度的高溫等離子體。

熒光燈霓虹燈燈管中的電離氣體核聚變實(shí)驗(yàn)中的高溫電離氣體電焊時(shí)產(chǎn)生的高溫電弧火焰(上部)宇宙中的恒星（太陽(yáng)）地球南北極的極光

等都是常見(jiàn)的等離子體物質(zhì)。

核聚變研究的基礎(chǔ)—等離子體第8頁(yè)，共16頁(yè)，2023年，2月20日，星期四可控核聚變研究

核聚變反應(yīng)利用了氘和氚聚變反應(yīng)，而氘在海水中大量存在。海水中大約每600個(gè)氫原子中就有一個(gè)氘原子，海水中氘的總量約40萬(wàn)億噸。1升海水中所含的氘完全聚變所釋放的聚變能相當(dāng)于300升汽油燃料的能量。按目前世界消耗的能量計(jì)算，海水中氘的聚變能可用幾百億年。因此，核聚變能是一種取之不盡用之不竭的新能源。1升海水=300升汽油1克氘氚=8噸汽油地球表面海水含氚1018噸由于直接利用太陽(yáng)能比較困難和低效，人類設(shè)想造一個(gè)人造太陽(yáng)，在地球上進(jìn)行可控核聚變。也就是把太陽(yáng)這個(gè)大反應(yīng)堆縮小后搬到地球上。第9頁(yè)，共16頁(yè)，2023年，2月20日，星期四可控核聚變研究

核聚變要在粒子的溫度要達(dá)到1～2億度才行，這要比太陽(yáng)上的溫度（中心溫度1500萬(wàn)度，表面也有6000度）還要高許多。地球上原子彈爆炸時(shí)可以達(dá)到這個(gè)溫度。用核聚變?cè)碓斐鰜?lái)的氫彈就是靠先爆發(fā)一顆核裂變?cè)訌椂a(chǎn)生的高熱，來(lái)觸發(fā)核聚變起燃器，使氫彈得以爆炸。問(wèn)題？這樣高的溫度拿什么容器來(lái)裝它們呢？這個(gè)問(wèn)題并沒(méi)有難倒科學(xué)家，20世紀(jì)50年代初，蘇聯(lián)科學(xué)家阿奇莫維奇提出了托卡馬克（tokamak）這個(gè)概念。托卡馬克是“磁線圈圓環(huán)室”的俄文縮寫(xiě)。這是一個(gè)由封閉磁場(chǎng)組成的“容器”，可用來(lái)約束電離了的等離子體。我們知道，帶電粒子會(huì)沿磁力線做螺旋式運(yùn)動(dòng)，所以等離子體就這樣被約束在這種環(huán)形的磁場(chǎng)中。這種環(huán)形的磁場(chǎng)又叫磁瓶或磁籠，看不見(jiàn)，摸不著，也不接觸有形的物體，因而也就不怕什么高溫了，它可以把炙熱的等離子體托舉在空中。托卡馬克（tokamak）第10頁(yè)，共16頁(yè)，2023年，2月20日，星期四可控核聚變研究50年來(lái)，全世界共建造了上百個(gè)托卡馬克裝置，在改善磁場(chǎng)約束和等離子體加熱上下足了功夫。掀起了世界范圍內(nèi)托卡馬克的研究熱潮。

這其中特別是歐洲的JET已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了氘、氚的聚變反應(yīng)。1991年11月，JET將含有14%的氚和86%的氘混合燃料加熱到了攝氏3億度，聚變能量約束時(shí)間達(dá)2秒。反應(yīng)持續(xù)1分鐘，產(chǎn)生了1018個(gè)聚變反應(yīng)中子，聚變反應(yīng)輸出功率約1.8兆瓦。1997年9月22日創(chuàng)造了核聚變輸出功率12.9兆瓦的新記錄。這一輸出功率已達(dá)到當(dāng)時(shí)輸入功率的60%。不久輸出功率又提高到16.1兆瓦。JET(歐洲共同體)

現(xiàn)在在托卡馬克上最高輸出與輸入功率比已達(dá)1.25。

JT-60（日本）ToreSupra

EUR-CEA（法國(guó)）第11頁(yè)，共16頁(yè)，2023年，2月20日，星期四可控核聚變研究

中國(guó)參與ITER國(guó)際項(xiàng)目俄、日、美、歐從1985年開(kāi)始實(shí)施“ITER計(jì)劃”，中國(guó)從2003年開(kāi)始參加，等離子體所是中國(guó)的主要承擔(dān)單位之一。ITER計(jì)劃是一個(gè)大型的國(guó)際科技合作計(jì)劃，它要建設(shè)一個(gè)更大型的全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克，驗(yàn)證聚變反應(yīng)堆的工程可行性，總工程造價(jià)46億美元，工程建設(shè)即將開(kāi)始，預(yù)計(jì)8到10年完成。第12頁(yè)，共16頁(yè)，2023年，2月20日，星期四可控核聚變研究（等離子體物理研究所）包括HT-7超導(dǎo)托卡馬克裝置本體、大型超高真空系統(tǒng)、大型計(jì)算機(jī)控制和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、大型高功率脈沖電源及其回路系統(tǒng)、全國(guó)規(guī)模最大的低溫氦制冷系統(tǒng)、兆瓦級(jí)低雜波電流驅(qū)動(dòng)和射頻波加熱系統(tǒng)以及數(shù)十種復(fù)雜的診斷測(cè)量系統(tǒng)。在十幾次實(shí)驗(yàn)中，取得若干具有國(guó)際影響的重大科研成果。特別是在2003年3月31日，實(shí)驗(yàn)取得了重大突破，獲得超過(guò)1分鐘的等離子體放電，這是繼法國(guó)之后第二個(gè)能產(chǎn)生分鐘量級(jí)高溫等離子體放電的托卡馬克裝置。中國(guó)第一個(gè)超導(dǎo)托卡馬克核聚變?cè)囼?yàn)裝置HT-7第13頁(yè)，共16頁(yè)，2023年，2月20日，星期四可控核聚變研究（等離子體物理研究所）

EAST或者稱“實(shí)驗(yàn)型先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克”，是一臺(tái)全超導(dǎo)托卡馬克裝置。EAST可能將成為世界上第一個(gè)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、具有全超導(dǎo)磁體和主動(dòng)冷卻第一壁結(jié)構(gòu)的托卡馬克。該裝置有真正意義的全超導(dǎo)和非圓截面特性，更有利于科學(xué)家探索等離子體穩(wěn)態(tài)先進(jìn)運(yùn)行模式，其工程建設(shè)和物理研究將為“國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆”（ITER）的建設(shè)提供直接經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)。世界上第一個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克EAST由于核心裝置都是全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克，我們的