受控核聚变于等离子体物理学.

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1、1 SWIP 核聚变能源开发的进展与展望 核工业西南物理研究院 潘 传 红 2010年3月 2 SWIP 报 告 内 容 第一部分 等离子体的基本属性 第二部分 受控核聚变一般原理介绍 第三部分 等离子体物理学与核聚变工程技术研究 进展 第四部分 热核工程技术与示范堆、商用堆 3 SWIP 一、等离子体的基本属性 物质第四态，物质存在的基本形态； 宏观电中性和微观电荷分离，电荷分离只存在于很小的线度(德拜长度 )内，这种自屏蔽效应称为“德拜屏蔽”； 带电粒子（受长程库仑力支配）构成的多粒子体系，连续 电 磁流 体 （简称“磁流体”），色散电介质； 单个带电粒子在外电磁场中的运动形态为“轨道运动

2、”，而等离子体 整体则呈“集体运 动”形态。不同 于一般的流体力学系统(色散电介质) ，等离子体“集体运 动”从模式到特征频率都异常复杂。只要存在“自 由能”，某些集 体运动模式便会激发起来并传播开去,发展成为“不稳定 性”。 4 SWIP 一、等离子体的基本属性 等离子体存在无穷多 “自由度”，每个“自由度”都象“窗口”一样对“扰动” 敞开，导致等离子体（力学系统）极易偏离（甚至远离）自己的平衡态，但也存在 许多“渠道”使其回到新的平衡态 。这一现象使等离子体 成为非线性科学研究的主 要对象之一。 由于电子和离子热速度的差别，便在固体界面附近（德拜长 度线度 内）形成负电 位的“鞘层”。“鞘

3、层”的概念是所有等离子体加工的基础 ，由于“鞘层” 是由等 离子体“自组织” 形成和维持的，人们只需要控制等离子体的外部宏观参数(气体种 类、工作气压、放电功率等），即可达到各种加工的目的。 由于带电组元（电子、离子）处于“游离状态”，使等离子体中容易发生多种原 子、分子（如电离、复合、激发、退激、热解、裂解、离子合成、亚稳态电离、亚 稳态复合、亚稳态及高激发态原子等）过程，这些过程通称“等离子体活性”。在 等离子体化工、等离子体涂层、等离子体聚合、等离子体结晶中有非常重要的意义 。 5 SWIP 二、受控核聚变一般原理介绍 1、环境问题与核聚变能源 能源短缺和环境恶化是21世纪人类社会面临的

4、两大难题。目前 作为主要能源的石油、煤、天然气等储量有限，太阳能、生物 能、风能、水电等装机容量有限且受地域限制，化石能源燃烧 释放的温室气体使人类生存条件日益恶化，核能作为一种新型 能源被世界各国关注。核裂变能在50年代已得到成功应用，但 存在放射性废物处理和铀资源储量问题。核聚变能以其资源无 限与洁净，向人类展示了不可比拟的优势和前景。 6 SWIP 二、受控核聚变一般原理介绍 1、环境问题与核聚变能源 核聚变能是宇宙间所有恒星（包括太阳）释放光和热的能源。 聚变电站将首先利用氘氚聚变能。氘在海水中储量极为丰富，一升 海水里提取出的氘，释放的聚变能相当于燃烧300升汽油；氚可在反应堆 中通

5、过锂再生，而锂在地壳和海水中都大量存在。 人类开发核聚变能源经历了艰苦的历程。自20世纪40年代末起，各 国投入科学家及工程师上千人，总计经费每年超过10亿美元。人们对开 发聚变能源难度的认识也逐步深化，从20世纪70年代开始，原苏联科学 家提出的“托克马克”概念显示独特优势，成为磁约束核聚变研究的流。 7 SWIP 二、受控核聚变一般原理介绍 1、环境问题与核聚变能源 氘氚聚变释放的能量: 氘和氚发生聚变后，氘核和氚 核聚合生成1个氦核和1个中子，并释放17.6Mev（其中中 子携带14.1MeV、氦核携带3.5MeV）的能量。氘氚聚变 有5个核子参加反应，而铀235裂变有236个核子参加

6、反应。如果按每个核子释放的能量比较，氘氚聚变释 放的能量是铀235裂变释放的能量的4.14倍。 受控核聚变的苛刻条件：要求有上亿度的温度 (足够 高温度)，以便原子核能够克服库仑力，充分靠近从而进 入核力场的作用范围并发生核聚变反应；要求高温的聚 变粒子不能太稀薄(较高密度)，以便增加原子核之间碰撞 的可能性；要求能够将高温高密的聚变粒子约束足够长 的时间(较长能量约束时间)，以便有充分的时间发生核聚 变反应。 8 SWIP 二、受控核聚变一般原理介绍 氘氚核聚变原理 9 SWIP 二、受控核聚变一般原理介绍 Plasma self-heating Tritium replenishment

7、Li Electricity Hydrogen 10 SWIP 二、受控核聚变一般原理介绍 托卡马克装置示意图 2、磁约束受控核聚变 11 SWIP 二、受控核聚变一般原理介绍 2、磁约束受控核聚变 （1）“聚变等离子体物理学” 研究 的目标： 验证受控核聚变的科学可行性 12 SWIP 二、受控核聚变一般原理介绍 2、磁约束受控核聚变 （2）“聚变等离子体物理学” 研究的范围 （A）约束与输运研究 （B）(电)磁流体不稳定性研究（重点研究对未来聚变堆有重大影响的等离子体破裂、 新经典撕 裂模、 电阻壁 模和边沿局部模） （C）高能粒子行为研究 通过以上三方面的研究，验证“先进托卡马克运行模式

8、” （ITER的科学基础）： 高约束模。通过抑制等离子体不稳定性(导致反常输运的集体运式)、优化和控制等离子体 位形、建立大尺度输运垒，实现高性能约束模式(高能量约束时间)，以及高约束模式下的等离子 体物理学问题究； 高功率密度。通过二级加热提高和维持等离子体功率密度(高经济性能)，及大功率二级加热 条件下的等离子体物理学问题研究； 高额自举电流。产生和维持高额自举电流(是维持聚变堆稳态运行的必要条件) ，及高额自 举电流条件下等离子体物理学问题研究。 13 SWIP 二、受控核聚变一般原理介绍 2、磁约束受控核聚变 （2）“聚变等离子体物理学” 研究的范围 （D）先进偏滤器概念及偏滤器物理研

9、究 包括刮离层物理、 粒子的能量及粒子排出、等离子体与器壁相互作用、器壁对燃 料粒子的化学吸附及解吸、器壁杂质粒子的溅射及其对芯部的影响等 （E）稳态燃烧等离子体物理学（包括 粒子自加热，这是ITER的科学 目标） 14 SWIP 二、受控核聚变一般原理介绍 2、磁约束受控核聚变 （3）“聚变等离子体物理学” 研究的方法 三大理论体系基础：色散介质电动力学、等离子体统计力学、（电）磁流体力学 发展先进诊断技术，开展等离子体物理实验研究 开发计算机软件平台，开展数值模拟和（计算机）仿真实验。 15 SWIP 二、受控核聚变一般原理介绍 2、磁约束受控核聚变 （4）“聚变等离子体物理学” 实验研究

10、 等离子体电磁学参数、热力学参数、流体力学参数、杂质(有效Z)、装置及 其附属系统运行参数实验观测； 等离子体涨落量测量、磁流体（MHD）不稳定性“特征”研究及其控制方法 研究； 等离子体“宏观流”（表征等离子体由“无序”走向“有序”因而相应的不稳定 性被抑制）实验研究； 等离子体二级加热、电流驱动及等离子体电流剖面控制实验研究； 等离子体加料及密度剖面控制实验研究； 等离子体输运行为实验研究等。 16 SWIP 二、受控核聚变一般原理介绍 2、磁约束受控核聚变 （5）“等离子体相关技术”研究领域 磁体技术、特殊供电与控制技术; 等离子体二级加热及电流驱动技术(微波技术、中性粒子束技术) ；

11、先进诊断技术(电磁测量、粒子质谱/能谱测量、微波测量、热辐射测量、激光测量、光谱分析 、X射线测量、核测量等 30多种先进诊断技术); （面对等离子体)第一壁处理及杂质控制技术； 先进偏滤器概念及偏滤器技术研究； 等离子体加料技术; 等离子体位形反馈控制技术; 数据采集与处理技术; 软件技术及计算机仿真实验(技术)。 17 SWIP 三、等离子体物理学与核聚变 工程技术研究进展 1、国际受控核聚变研究的进程 受控热核聚变研究分为惯性约束和磁约束两种途径。两种途径的研究持续了半个多 世纪。八十年代以来形成了以托卡马克为重点途径的磁约束聚变研究局面。 九十年代以来，在托卡马克装置上取得重大进展:

12、1991年11月，欧共体JET装置上首次成功地进行了D-T放电实验,1997年创下了输出聚变功率16.1MW、聚变 能21.7MJ 的世界最高纪录； 美国的TFTR装置于1993年10月也实现了D-T反应； 1998年，日本JT-60U装置上获得了聚变堆级的等离子体参数，聚变三乘积1.531021keVsm-3，等 效聚变功率增益达到1.25。 国际热核聚变实验堆(ITER)开始建设，标志着聚变能研究由基础性研究开始进入了 实验堆的研究阶段。 18 SWIP 三、等离子体物理学与核聚变 工程技术研究进展 2、中国受控核聚变研究 我国受控核聚变研究始于五十年代，经过近四十余年的 原理探索阶段,

13、进入规模化实验研究阶段。从装置规模和达 到的技术指标看, 与国外先进水平相比大体有10年左右的差 距, 聚变三乘积（即能量约束时间、等离子体密度和温度三 者的乘积）大约差1-2个数量级。 19 SWIP 三、等离子体物理学与核聚变 工程技术研究进展 中国环流器二号A装置 20 SWIP （a）当前 （b）改造后 三、等离子体物理学与核聚变 工程技术研究进展 HL-2A装置改造与升级 21 SWIP FCI(Flow Channel Insert) MHD experiments Liquid metal experimental loop (LMEL) upgrade 三、等离子体物理学与核聚

14、变 工程技术研究进展 改进后的液态金属试验回路(LMEL) 以及MHD实验安排 22 SWIP 三、等离子体物理学与核聚变 工程技术研究进展 2、中国受控核聚变研究 低活化材料钒 基合金的研制 23 SWIP 三、等离子体物理学与核聚变 工程技术研究进展 2、中国受控核聚变研究 聚变增殖堆 FEB-E概念设 计(三维图) 24 SWIP 三、等离子体物理学与核聚变 工程技术研究进展 2、中国受控核聚变研究 环流器二号A装置是我国第一个偏滤器位形托卡马克装置。等 离子体电流达430千安、放电时间3秒。在该装置上开展了：改 善约束、等离子体输运、等离子体带状流、破裂特征、等离子 体位形控制等前沿课

15、题研究。先后应邀在20届和21届世界聚变 能大会上报告。 中科院TH-7装置和EAST装置(超导托卡马克)。 TH-7装置上开展 了长脉冲 (等离子体电流60千安时300秒)放电实验和离子伯恩斯 坦波(IBW)加热实验。为EAST装置的建设积累了超导磁体技术 的坚实基础， EAST装置于是2006年建成。 由于我院的国际影响以及成都市政府的大力支持，21届 世界聚变能大会在成都召开，我院18篇报告被选中，其中包括1 篇邀请报告和1篇口头报告。这是我院取得的重大突破。 25 SWIP 图1. ITER装置示意图 三、等离子体物理学与核聚变 工程技术研究进展 3、国际热核实验堆（ITER）计划简介 26 SWIP 三、等离子体物理学与核聚变 工程技术研究进展 3、国际热核实验堆（ITER）计划简介 2006年，七方共同签署了国际热核实验堆联合实施协定，ITER计 划进入实施阶段。该计划是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研 合作项目之一，建设周期十年，耗资五十亿美元（1998年值）。 七方成员分别为欧盟、中国、韩国、俄罗斯、日本、印度和美国，包括 了世界上主要的核大国和世界人口的一半。 ITER计划的实施结果将决定人类能否迅速地、大规模地使用聚变能， 从而可能影响人类从根本上解决