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1、核聚变和ITER介绍 Department of Physics Beijing University of Aeronautics and Astronautics 1，什么是核聚变 2，核聚变用作能源的两个重大优点 3，核聚变发生的条件 4，受控核聚变的原理 5，受控核聚变的方式 6，TOKAMAK受控核聚变的发展 7，什么是“超导托卡马克装置” 8，中国在受控核聚变领域的发展 9，国际热核聚变实验堆（ITER）组织 10，金属的辐照损伤和辐照效应 大纲 什么是核聚变 核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核，并释放出 能量的过程。 典型的聚变反应是 太阳的能量来自它中 心的热核聚变
2、 人类非常羡慕这种能源，但是目前只学会了 破坏性地使用，这就是氢弹，一朵核聚变蘑 菇云能轻易地抹平一座几百万人的城市。 在太阳过去的46亿年中，仅消耗了 0.03%的质量。是什么东西这么耐烧 呢？那就是核聚变。 核聚变用作能源的两个重大优点 一，地球上蕴藏的核聚变能远比核裂变能丰富得多。 据测算，每升海水中含有0.03克氘，所以地球上仅在海水中就有45万 亿吨氘。1升海水中所含的氘，经过核聚变可提供相当于300升汽油燃 烧后释放出的能量。至于氚，虽然自然界中不存在，但靠中子同锂作 用可以产生，而海水中也含有大量锂。这就意味着，单靠海水，就能 满足人类100亿年的能源需求。 第二个优点是既干净又
3、安全。 因为它不会产生污染环境的放射性物质，所以是干净的。同时受控核 聚变反应可在稀薄的气体中持续地稳定进行，所以是安全的。 核聚变发生的条件 太阳的中心温度高达1500万2000万，中心压力达3.4多亿亿帕，太 阳内的物质在这样高的温度和压力下，发生着剧烈的核聚变反应。 地球上没办法获得巨大的压力，只能通过提高温度来弥补，不过这样一来 温度要到上亿度才可以发生热核反应。 受控核聚变的原理 第一步，作为反应体的混合气必须被加热到等离子态也就是温度 足够高到使得电子能脱离原子核的束缚，原子核能自由运动，这时才 可能使得原子核发生直接接触，这个时候，需要大约10万摄氏度的温 度。 第二步，为了克服
4、库伦力，也就是同样带正电子的原子核之间的斥力 ，原子核需要以极快的速度运行，继续加温到上亿摄氏度，使原子核 的布朗运动达到一个疯狂的水平。氚和氘的原子核以极大的速度发生 碰撞，产生了新的氦核和新的中子，释放出量。 第三步，经过一段时间，反应体已经不需要外来能源的加热，核聚变 的温度足够使得原子核继续发生聚变。只要将氦原子核和中子及时排 除，新的氚和氘的混合气被输入到反应体，核聚变就能持续下去，产 生的能量一小部分留在反应体内，维持链式反应，大部分可以输出， 作为能源来使用。 迄今为止，人类还没有造出任何能经受1万摄氏度的化学结构。核 聚变如此高的温度没有任何一种固体物质能够承受如此高温的反应
5、体。 早在50年前，两种约束高温反应体的理论就产生了。 1，惯性约束核聚变 2，磁力约束核聚变（托卡马克） 可控核聚变方式 1，惯性约束： 这一方法是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体，装入直径约几毫 米的小球内。从外面均匀射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而 向外蒸发，受它的反作用，球面内层向内挤压（反作用力是一种惯 性力，靠它使气体约束，所以称为惯性约束），就像喷气飞机气体 往后喷而推动飞机前飞一样，小球内气体受挤压而压力升高，并伴 随着温度的急剧升高。当温度达到所需要的点火温度（大概需要几 十亿度）时，小球内气体便发生爆炸，并产生大量热能。这种爆炸 过程时间很短，只有几个皮秒（1皮等于1万
6、亿分之一）。如每秒钟 发生三四次这样的爆炸并且连续不断地进行下去，所释放出的能量 就相当于百万千瓦级的发电站。 磁力约束（托卡马克）： 托卡马克(Tokamak)核聚变是一种利用磁约束来实现受控的核聚 变。 根据带电粒子在磁场中的运动可知，带电粒子在垂直于磁场的方向 受到洛伦兹力。只要磁场只要足够大，带正电的原子核就跑不出磁 场。 建立一个环形的磁场，原子核就只能沿着磁力线的方向，沿着螺旋 形运动，跑不出磁场的范围。在环形磁场之外建一个换热装置（此 时反应体的能量只能以热辐射的方式传到换热体），然后再使用人 类已经很熟悉的方法，把热能转换成电能就是了。 早在1954年，在原苏联库尔恰托夫原子能
7、研究所就建成了世界上第一个托 卡马克装置。貌似很顺利吧？其实不然，要想能够投入实际使用，必须使 得输入装置的能量远远小于输出的能量才行，我们称作能量增益因子Q 值。当时的托卡马克装置是个很不稳定的东西，搞了十几年，也没有得到 能量输出，直到1970年，前苏联才在改进了很多次的托卡马克装置上第一 次获得了实际的能量输出，不过Q值只有10亿分之一。 别小看这个十亿分之一，这使得全世界看到了希望，于是全世界都在这种 激励下大干快上，纷纷建设起自己的大型托卡马克装置： 欧洲建设了联合环-JET，苏联建设了T15，日本的JT-60和美国的TFTR。 这些托卡马克装置一次次把能量增益因子（Q）值的纪录刷新
8、。 1991年欧洲Q值达0.12。1993年，美国Q值达到了0.28。1997年9月，欧洲 Q值达0.60。三个月以后，日本Q值可以达到1。后来，Q值又超过了1.25。 这是第一次Q值大于1。 中国在70年代就建设了数个实验环托卡马克装置环流一号（HL-1）和 CT-6，后来又建设了HT-6,HT-6B，以及改建了HL1M，新建了流2号。 TOKAMAK受控核聚变的发展 什么是“超导托卡马克装置” 托卡马克装置的核心就是磁场，托卡马克装置越接近 实用就要产生越强的磁场。用于产生磁场的线圈，由 于有电阻而使得线圈的效率降低，同时限制通过大的 电流，不能产生足够的磁场。如果把线圈材料做成超 导体，
9、这就是超脱卡马克。 目前为止，世界上有4个国家有各自的大型超脱卡马 克装置 法国的ToreSupra，俄罗斯的T-15，日本的JT-60U ，中国的EAST。 合肥EAST全超导非 圆截面核聚变实验装 置 除了EAST以外，其他四个大概都只能叫“准超托卡马克”，它们的水 平线圈是超导的，垂直线圈则是常规的，因此还是会受到电阻的困 扰。此外他们三个的线圈截面都是圆形的，而为了增加反应体的容积 ，EAST则第一次尝试做成了非圆形截面。 中国在这个领域有先天的优势，加上机遇很好，走到世界第一 集团。 先天优势：我们有王淦昌先生这样一批理论上的大师，使得我 们的基础并不落后。国家对于能源的重视不是一天
10、两天了，自 1956年的12年科学规划以来，核聚变的研究已经进行了半个 世纪，积累了大量的经验。还有一个上帝送给我们的好礼物： 内蒙古白云鄂博的稀土资源。它使得我们的超导工艺和激光技 术并不落后这可是受控核聚变的重要组成部分。 机遇好：一方面是当年苏联解体，俄罗斯贱卖家底，我们得到 了俄国的HT-7超脱卡马克，使我们跨越性的认识了这一系统。 另一方面，国际扯皮使得ITER拖了近20年，我们赢得了追上 去的机会。 中国人在这个关乎人类生存的领域，总算占有了一席之地。 中国在受控核聚变领域的发展 国际热际热 核聚变实验变实验 堆（ITER）组织 2006年11月21日，我国与欧盟、印度、日本、韩国
11、、俄罗斯和美国共 同签署了联合实施国际热核聚变实验堆计划建立国际聚变能组织的 协定和联合实施国际热核聚变实验堆计划国际聚变能组织特权和 豁免协定。 ITER计划是目前全球规模最大、经费投入最多、影响最深远的重 大国际科学工程之一，它吸引了世界主要国家的顶尖科学家。ITER计 划的实施结果将影响人类能否大规模地使用聚变能，从而从根本上解 决能源问题的进程。 国际热核聚变实验堆建在法国 金属的辐照损伤和辐照效应 金属受到高能粒子辐照后可以产生种种宏观性质的变化,这一 现象叫作“辐照效应”。 由于高能粒子和金属的点阵原子实发生一系列碰撞，从而在金 属内部产生大量的点缺陷。而这种碰撞的原始微观过程叫作
12、“ 辐照损伤”。 辐照损伤和辐照效应各有不同的含义。 辐照损伤着重讨论辐照粒子所造成的点缺陷的数目和组态，而 辐照效应则是研究这些点缺陷进一步的行为和后果。 从过程所发生的时间来看，辐照损伤所涉及的原始微观过程只 发生在10-11秒之内，而辐照效应所讨论的缺陷迁移过程则需 要若干毫秒甚至几个月。 辐照损伤 辐照时的入射粒子可以是中子，也可以是带电粒子,如质子,(氦核 He2 ),或碳、镍之类的重离子等。 下面以中子为例说明辐照损伤的各种过程： 1，产生空位缺陷。 当中子和金属点阵内的某一靶原子的核(靶核)相碰撞，中子就将其能 量的一部分传递给靶原子。如果所传递的能量大于某一个称作离位阈 能(E
13、d)的阈值（一般约为25eV），被击原子就脱离它的平衡位置，成 为一个初级击出原子，并在原地留下一个空位。 2，使金属内部的一个微观区域被迅速加热到几千度的温度。 入射粒子或击出原子与点阵原子相作用时也可以是掠射性（小角度） 的低能传递。这时靶原子并不离位而是在其平衡位置附近被迫振动， 并将这一振动能迅速传递到周围去。其效果有如金属内部的一个微观 区域被迅速加热和冷却。这个瞬时过程称作热峰。热峰可能在10-11秒 的时间内达到几千度的温度。 3，产生杂质原子； 入射粒子最后停留下来，或与靶原子核发生核反应产生新的元素 （嬗变作用），成为杂质原子。例如，不锈钢中的镍可以通过 59Ni(n,)56
14、Fe反应转化成铁和氦。 4，产生填隙等缺陷； 考虑到金属内的原子呈有序排列，因而沿某一晶向的一列原子可 能发生一连串连续对撞，从而有换位碰撞，聚焦碰撞，或动力挤 子。 上述中子辐照损伤过程也适用于带电粒子，所不同的是带电粒子 和靶原子碰撞的几率比中子大，射程也较短，因而损伤区集中而 且损伤率要比中子大。反之，由于中子不带电荷，不发生库仑碰 撞，所以它可以有很大的平均自由程和射程，足以造成分布整个 金属中的损伤。 金属表面形成的锥形突起金属表面的层离 另外，带电粒子可以造成金属表面的溅射，使金属表面形成锥形突 起（如图）;气体带电粒子还可以使金属表面起泡和层离（如图 ）。 这些都是聚变堆第一壁，
15、即聚变堆最靠里面的第一个和等离子体区 相接触的容器壁（英文称first wall）材料的重要辐照问题。 辐照效应 辐照损伤产生多种形式的晶体点缺陷和点阵扰动在一定条件下扩散、聚集 ，或者转化成其他形式的缺陷，结果使金属的性质发生变化，这就构成了 辐照效应。 上述起泡和层离就是辐照效应的一种现象。 辐照后种种缺陷的形成必然会使金属的性质和行为发生变化： 1，辐照肿胀 空位和惰性气体原子的聚集可以造成辐照肿胀。它表现为材料的体积和密 度随辐照发生变化。 2，辐照硬化和辐照脆化 点缺陷与贫化区的存在将影响晶体中位错的运动。这会使金属发生硬化， 表现为屈服强度提高。也会导致体心立方金属韧性脆性转变温度上升 ，使材料经长期辐照后在其使用温度下变为脆性材料。此外，高温时气泡 （如氦）在晶界的形成也会造成氦脆。 从以上所举的部分例子中，可以看出强辐射条件下辐照损伤对金属宏观性 质的影响是很严重的。 Thanks for your Thanks for your attention!attention! 17
