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1、,磁约束聚变-人类未来理想能源,中国科学院等离子体物理研究所 2015.11.15，大工 李建刚(j_),报告内容,磁约束聚变原理 EAST超导托卡马克 ITER计划简介 未来发展的挑战与机遇,ASIPP,核能,裂变 清洁、高效、稳定 资源有限 长寿命废料 安全问题 目前趋势： 三代、四代电站 选址、安全标准,3,1座1GWe压水堆，60年用料1万吨可经济开采铀资源约约60年；若中国计划发展到中等水平（240GWe）总用料240万吨，无法保证。 天然铀（初装360吨，年换料142吨)。,保守估计2020目标：运行75GWe，在建30GWe 预计2020乏料累积存量：1.25 万吨,一座GWe核
2、电站每年产生约30-50吨的乏燃料；其中，长寿命高放废料150公斤。,Fusion Fire Powers the Sun,Can we make Fusion Fire on earth?,科幻电影里的终极能源聚变能,钢铁侠里的方舟反应堆，疑似一个托卡马克,现实版：,聚变堆 工作原理,D+T - n(14.3MV)+He,排放氦气,高压热水,蒸气,氘气,每个100万千瓦电站 每年使用： 百公斤氘气（重水） 百公斤锂 资源无限 释放： 巨大能量 百公斤氦气 清洁 次临界： 永远安全,获得聚变反应的三要素,T1亿度 温度 (聚变反应在极高温度下才能发生) 约为10倍太阳芯部温度,n11020 m
3、-3 密度 (聚变反应率与密度成正比) 约为大气密度的百万分之一，正比于装置平均电流密度Ip/a2,E3s 能量约束时间 (聚变反应率与约束时间成正比) 正比于装置的尺寸和电流IpR2，装置越大约束越好,受控核聚变变研究的途径,ASIPP,托卡马克(Tokamak)是由俄罗斯科学家发明的利用变压器原理产生等离子体，并由强磁场约束及控制等离子体的装置。 Tokamak是由俄文“环形”、“磁场”及“容器”的前几个字母组成。其主要部件组成为：真空室、纵场（环向场）磁体、极向场（垂直场）磁体等。 The term tokamak comes from the Russian words: “Toroi
4、dalnaya kameras magnitnoi katushkoi“ (toroidal chamber with magnetic coil). It was invented in the 1950s by Igor Yevgenyevich Tamm and Andrei Sakharov. A tokamak is a toroidal magnetic plasma confinement device, the leading candidate for producing magnetic fusion energy.,Examples: EAST, HL-2A, J-Tex
5、t, JET, JT60-U, ITER,托卡马克原理（Principle of Tokamak）,国际聚变的发展,With Courtesy from D. Meade,磁约束托卡马克聚变的发展,Safety factor limit ( Ip ): q= (5abBT /R Ip ) 3; Density limit : n nGW = Ip /ab; Beta limite (热压/磁压): N =a BT / Ip 2.5; Scaling Law: E Ip0.93 BT0.15n0.41P-0.69R1.97M0.190.780.58,目标I : Pfusion nTE 10 21
6、 m-3skev,托卡马克上的重要实验发现 Scaling Law,ITER的物理基础是实验定标率的适当外推,聚变的发展速度接近个人电脑CPU芯片的速度,核聚变,CPU,核聚变研究了50年，取得了很大进展，积累了坚实的工程和物理基础。,90年代实现核聚变能科学可行性已得到证实!,欧盟JET,美国TFTR,日本JT-60,20世纪70年代后期到80年代中期，受到托卡马克上实验结果的鼓舞，建成三大托卡马克。最高温度达到 2-4 亿度； 1997年最高聚变输出功率超过 16 兆瓦 得失相当：聚变功率增益因子 Q = 聚变输出功率/输入功率，达到 1.25,超导托卡马克 -聚变工程可行性,需要连续运行
7、： (1)超导线圈：零下269度(4K) (2)抗高温、高辐照材料； (3)先进控制运行 难于上青天? 比登天还难！,如何造全超导托卡马克 未来十年唯一提供长脉冲、近堆芯等离子体的实验平台,科学目标： 1MA电流（大装置标志） 一亿度（堆芯参数） 1000(100)秒 放电时间,ASIPP,ASIPP,EAST,14个极向超导磁体,内外冷屏,EAST 托卡马克装置本身包括许多重要部件,16个纵向超导磁体,超高真空室,外杜瓦,支撑系统,20,2006年9月26日，EAST成功获得等离子体,ASIPP,EAST,EAST 托克马克内部（核岛） Inertial full metal (SS) Ac
8、tively-cooled C Actively-cooled W,EAST,EAST关键：稳态运行,EAST 长脉冲运行关键,等离子体与材料高负荷强相互作用,世界最先进的实时冷却偏滤器系统,托克马克物理的难题：MHD控制,EAST 近几年重大进展,获得了411s的中心等离子体密度约21019m-3、中心电子温度大于2000万度的高温等离子体,高约束等离子体放电是未来磁约束聚变堆首选的一种先进高效运行方式。2012年，EAST装置在低再循环条件下实现了稳定重复、超过32s的高约束等离子体放电，且方法独特、经济、有效，为未来ITER提供了一条新途径,辅助加热：一亿度、1000秒,低杂波系统：10
9、00秒,中性注入：一亿度,近期计划-全面国际领先,LHCD 4MW(2.45),NBI(2014) 4MW(80KeV),RF(2013) 6 MW 30-100MHz,LHCD(2013) 6MW(4.6GHz),ECR(2015) 4MW,NBI(2013) 4MW(80KeV),1MA, 1000s, 3.5T 400s H, 34MW2015,ECH(2016) 6MW(170GHz),1-1.5MA, 1000s, 3.5-4T 1000s H, 40MW2016,RF(2013) 6 MW 20-70MHz,建成高水平EAST实验设施,EAST托卡马克目前实验能力处于国际前列,历时
10、8年 90%自研率 13.6亿人民币,2007.3,2015.8,2012年EAST创造“H模”维持时间世界纪录,与俄罗斯的合作-俄罗斯总理来访,开展与美国全方位的合作,未来定位：国际一流聚变中心,2020年：模拟未来ITER以及中国聚变堆的实验,ITER-CN主要部件,ASIPP,7% CC 导体,68% PF 导体,15% 屏蔽包层,100% 线圈接头引线,62% 电源,50% 传输小车,100% 效正场线圈,3.4% 诊断,辉光电极及充气系统,ITER计划的技术基础-R&D,ASIPP,48 superconducting coils 18 TF coils 6 CS modules 6
11、 PF coils 9 pairs of CC,ITER 超导磁体系统,Mass of (1) TF Coil: 16 m Tall x 9 m Wide, 360 t,B747-300 (Max. T.W) 377 t,The Cryostat is 29 metres tall and 28 metres in diameter.,Jefferson Memorial (Washington DC) 29 m Tall (floor to top of dome),ITER外杜瓦(Cryostat),国际热核聚变实验堆ITER,第一壁 和包层,TBM ( 3个窗口),屏蔽包层 ( 430
12、块),偏滤器,第一壁 ( PFC ),国际磁约束聚变的前沿问题,燃烧等离子体物理 先进托卡马克稳定运行和可靠控制 ITER/DEMO 等离子体条件下的等离子体与材料的相互作用 长脉冲和稳态条件下的物理和技术 示范堆等离子体性能的预言 反应堆核环境条件下的材料和部件 示范堆的集成设计,需突破的关键技术,聚变实验堆建设：聚变实验堆装置建设不仅要集成国际磁约束聚变能研究的最新成果，而且还要综合届时世界相关领域的一些顶尖技术，如：大型超导磁体技术，中能高流强加速器技术，连续、大功率微波技术，复杂的智能远程遥操技术、反应堆材料、实验包层、大型低温技术、氚工艺、先进诊断技术、大型电源技术及核聚变安全等,中
13、国磁约束聚变能发展技术路线图,聚变工程实验堆科学技术目标,中国聚变工程实验堆 Q=1-6(SSO,大于8小时） 燃烧等离子体物理 稳态运行 验证TBR大于1 演示聚变发电（Qeng1) 尽可能验证示范堆材料和部件 验证氚自持 全面验证RH 聚变中子在裂变的应用 后期（Nb3Al）： 努力实现Q=10-30,ITER Q=10(400s),Q=5(3000s)，Q=30（100s） 燃烧等离子体物理 试验堆工程可行性试验 偏滤器、IBM测试 缺陷： 不稳态运行 不验证TBR大于1 不演示聚变发电 无法验证示范堆材料和部件 不能全面验证氚自持 不能全面验证RH,CFER与ITER互补、相互促进，C
14、FER最好比ITER性价比要高,CFETR装置建筑群布局设计,CFETR作为一个聚变堆，除了关键设备装置主机，还有许多与之配合的重要设备，例如低温系统、真空系统、装置控制系统、热室、装置大厅及蒸汽透平系统等。一个庞大的建筑群分布在装置大厅周围。,超导主机集成方案设计,中国聚变工程实验堆CFETR（China Fusion Engineering Test Reactor）是在吸收消化ITER设计基础上，开展我国聚变工程实验堆工程概念设计； 相比较K-DEMO等同期国外聚变堆装置，率先完成了满足三种位形的超导磁体系统、遥操作维护、真空室等主机工程概念概念设计和工程可行性评估。,遥操作系统概念设计
15、,真空室内部部件的检测与维护、遥操作传输系统-CASK、遥操作热室-清洗，维护，测试。,人才队伍培养计划,四部委文件：利用10年左右时间，培养2000人 中科大、华中科大、大工、清华、北大、合工大、川大等20所高校 国内外联合培养 每年送出40-50人，国内300人 国外10所知名大学和研究所,现状 ASIPP：1230职工（从事聚变）+450研究生 SWIP：350职工（从事聚变）+100研究生 高校：150职工（从事聚变）+300研究生 现在九院：60职工（从事聚变） +30研究生 我们现在就有1800职工+900学生 未来2-3年：2000职工+1200研究生,召开了多次有国际最著名聚变专家参加的研讨会,我们需要什么样的学生,愿意献身科学研究 敢于向世界难题挑战 愿意长时间坚持、刻苦努力 愿意帮助别人、乐于团队作战,52,中国需要聚变,14位中常委、23位政治局委员、美国参议长、多位各国部长、每年2万公众,谢谢大家,
