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1、聚变能利用与国际热核试验堆北京大学物理学院郑春开当前的能源问题与长远的根本出路人类生存发展面临能源的严峻挑战化化石石燃燃料料资资源源有有限限，不不可可能能长长期期满满足足人人类类生生存发展需要存发展需要化石燃料化石燃料(煤炭、石油、天然气）有限，煤炭、石油、天然气）有限，几十、百余年或几十、百余年或2-3百年将耗尽！百年将耗尽！直接燃烧化石燃料，给环境造成严重威胁直接燃烧化石燃料，给环境造成严重威胁排放大量有害物质和二氧化碳（温室效应）排放大量有害物质和二氧化碳（温室效应）一一氧氧化化碳碳、烟烟尘尘、二二氧氧化化硫硫、氮氮氧氧化化物物、；三三、四四苯苯芘芘（强强致癌）；放射性飘尘（辐射损伤）。
2、致癌）；放射性飘尘（辐射损伤）。核能为人类生存发展提供长期稳定的能源！核能为人类生存发展提供长期稳定的能源！聚变能是解决能源问题的根本途径核能：裂变能和聚变能核能：裂变能和聚变能裂变能利用：裂变能利用：热堆电站：铀利用率太低热堆电站：铀利用率太低1-2%（只用（只用235U）快堆电站：铀利用率：快堆电站：铀利用率：60-70%天天然然238U（包包括括热热堆堆乏乏燃燃料料！）通通过过中中子子增增殖殖，再生核燃料再生核燃料239Pu，n238U239U239Np239Pu“烧烧掉掉”铀铀-238，再再生生更更多多的的钚钚-239,核核燃燃料料再再生生利利用用铀资源可用铀资源可用2000年！年！根
3、本解决能源问题：利用聚变能根本解决能源问题：利用聚变能聚变能利用原理与历史回顾聚变反应与聚变能聚变反应发现1934年年，澳澳大大利利亚亚奥奥利利芬芬特特（Oliphant）用用氘氘轰轰击击氘氘，生生成成一一种种具具有有放放射射性性的的新新同同位位素素氚，氚，第一个第一个实现了实现了D-D核聚变反应核聚变反应1942年年 美美 国国 普普 渡渡 大大 学学 的的 施施 莱莱 伯伯（Schreiber）和和金金（King）又又首首次次实实现现了了D-T核反应核反应聚变反应与聚变能聚变反应聚变反应：D+D3He+n+3.27MeVD+DT+p+4.03MeVD+3He4He+p+18.35MeVD+
4、T4He+n+17.59MeVD是氘核（重氢）、是氘核（重氢）、T是氚核（超重氢）是氚核（超重氢）总的反应效果总的反应效果：6D24He+2p+2n+43.24MeV平均每核子的聚变能比裂变能大平均每核子的聚变能比裂变能大4倍倍聚变的燃料资源丰富海水氘（海水氘（D）在氢中占）在氢中占1/6500，每升海水中含氘每升海水中含氘33mg每升海水聚变能每升海水聚变能=300升汽油燃烧释放能量升汽油燃烧释放能量海水中氘总量海水中氘总量35万亿吨万亿吨，可用几亿年！，可用几亿年！氚天然不存在氚天然不存在,靠锂生产：靠锂生产：n+6LiT+4He+4.8MeV地地球球上上锂锂丰丰富富，我我国国可可采采的的
5、锂锂数数百百万万吨吨；聚聚变变产产生生1万亿度电只需万亿度电只需100吨锂；吨锂；氦氦-3：月月球球上上丰丰富富，50-500万万吨吨，用用月月球球车车运运回回1000吨，可发电万亿度吨，可发电万亿度,现在谈氦现在谈氦-3利用是过早了利用是过早了!巨大太阳能的来源太阳核聚变：太阳核聚变：主要是质子循环主要是质子循环p+pD+p+D3He+3He+3He4He+p+p4p4He+2e+2+26.7MeV比比235U每核子裂变能大每核子裂变能大8倍。倍。太太阳阳每每天天聚聚变变“燃燃烧烧”50万万亿亿吨吨氢氢，太太阳阳的的氢氢可可稳稳定燃烧几十亿年！定燃烧几十亿年！地球上建造的产生核聚变能装置，称
6、地球上建造的产生核聚变能装置，称“人造太阳人造太阳”。聚变能利用原理聚变反应的困难两两个个核核都都带带正正电电，引引起起聚聚变变反反应应必必须须克克服服库库仑仑斥斥力力。设想的方法有三种：设想的方法有三种：1.用加速器加速氘核，再使其轰击含氘的固体靶，引用加速器加速氘核，再使其轰击含氘的固体靶，引起核聚变很容易起核聚变很容易,但在能量上得不偿失！但在能量上得不偿失！2.用两束高能氘核对撞实现核聚变用两束高能氘核对撞实现核聚变,两束氘核几乎是两束氘核几乎是完全透明，几率太低！完全透明，几率太低！3.受控热核反应受控热核反应：将一团氘核约束在一起，并加热使：将一团氘核约束在一起，并加热使其到达足够
7、高的温度，形成完全电离气体，称其到达足够高的温度，形成完全电离气体，称“等等离子体离子体”，通过核间频繁地碰撞，依靠氘核自身热，通过核间频繁地碰撞，依靠氘核自身热运动的动能，使两核相互接近，可望发生核聚变，运动的动能，使两核相互接近，可望发生核聚变，称称受控热核反应受控热核反应。受控热核反应条件实现核能利用，条件十分苛刻，满足：实现核能利用，条件十分苛刻，满足：高温高温：燃料（氘、氚）需：燃料（氘、氚）需110亿度（克服亿度（克服静电排斥）静电排斥）高温氘氚等离子体高温氘氚等离子体约束约束：足够密度与足够长时间：足够密度与足够长时间DT反应要求相对低些反应要求相对低些DD反应要求高反应要求高条
8、件十分苛刻，是对人类的重大挑战！条件十分苛刻，是对人类的重大挑战！ 因此聚变发现，并不像因此聚变发现，并不像1939年裂变发现那年裂变发现那样样震惊世界。只有实现原子弹爆炸后，震惊世界。只有实现原子弹爆炸后，聚变聚变能才以氢弹爆炸形式得到释放。能才以氢弹爆炸形式得到释放。实现受控热核反应途径1.磁约束磁约束利用磁场约束等离子体利用磁场约束等离子体成功典型：托卡马克装置成功典型：托卡马克装置2.惯性约束惯性约束激光核聚变激光核聚变1963巴巴索索夫夫（苏苏）、1964王王淦淦昌昌（中中）分分别提出别提出因为出现高功率激光器，使之成为可能。因为出现高功率激光器，使之成为可能。要要达达到到极极高高温
9、温度度、实实现现热热核核聚聚变变，还还需需采采用各种加热手段。用各种加热手段。磁约束原理及其发展历史核聚变的研究由秘密转向公开二二战战末末期期，前前苏苏联联和和美美、英英各各国国在在互互相相保保密密的的情情况况下开展核聚变的研究；下开展核聚变的研究；秘秘密密的的研研究究结结果果远远未未达达到到当当初初的的期期望望，人人们们开开始始认认识识到到核核聚聚变变问问题题的的复复杂杂和和艰艰难难，都都感感到到保保密密不不利利于于研研究究的的进进展展；磁磁约约束束核核聚聚变变与与热热核核武武器器在在科科学学技技术术上上没没有有重重大大的的重重叠叠，而而且且其其商商业业应应用用的的竞竞争争为为时时尚尚早。早
10、。1958年年秋秋在在日日内内瓦瓦举举行行的的第第二二届届和和平平利利用用原原子子能能国国际际会会议议上上达达成成协协议议，各各国国互互相相公公开开研研究究计计划划，并并在在会会上上展展示示了了各各种种核核聚聚变变实实验验装装置置。自自这这次次会会议议后后，研研究究重重点点转转向向高高温温等等离离子子体体的的基基础础问问题题，各各种种相相关关的论文、书籍也相继公开发表。的论文、书籍也相继公开发表。等离子体的磁约束原理带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用，绕磁力线做回带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用，绕磁力线做回旋运动，旋运动，在垂直磁场方向上受到（横向）约束在垂直磁场方向上受到（横向）约束回旋中心、回
11、旋半径：回旋中心、回旋半径：rc=mv/qB解决“两端”问题研究和建立各种磁约束位形装置研究和建立各种磁约束位形装置1、环形磁场装置、环形磁场装置问题：磁力线弯曲或不均匀等产生问题：磁力线弯曲或不均匀等产生“漂移漂移”2、磁镜装置、磁镜装置两端强、中间弱的磁场位形，带电粒子在两两端强、中间弱的磁场位形，带电粒子在两极间来回反射，称为磁镜效应。极间来回反射，称为磁镜效应。问题：两端仍有泄漏（速度空间逸出锥）问题：两端仍有泄漏（速度空间逸出锥）磁镜装置的约束与逃逸磁镜：中间弱、两端强的磁场位形，可使带电粒磁镜：中间弱、两端强的磁场位形，可使带电粒子在两极间来回反射子在两极间来回反射问题：问题：速度
12、空间逸出锥速度空间逸出锥等离子体难以建立等离子体难以建立苏联苏联失败失败简单环形装置不能稳定约束磁力线弯曲产生磁力线弯曲产生“漂漂移移”电流线圈产生的环形电流线圈产生的环形磁场内侧强外侧弱，磁场内侧强外侧弱，也引起也引起“漂移漂移”“漂移漂移”使使等离子体等离子体向外推，因而不能形向外推，因而不能形成稳定的约束。成稳定的约束。研究发现：磁场旋转研究发现：磁场旋转变换改善约束变换改善约束 托卡马克装置托卡马克装置托卡马克装置20世世纪纪50年年代代，苏苏联联库库尔尔恰恰托托夫夫研研究究所所的的阿阿齐齐莫莫维维齐等人发明了齐等人发明了“托卡马克装置托卡马克装置”。在环形不锈钢真空室外套有多匝线圈，
13、利用电容器在环形不锈钢真空室外套有多匝线圈，利用电容器放电，使真空室形成环形磁场。放电，使真空室形成环形磁场。 同时用变压器放电，使真空室中气体（聚变燃料）同时用变压器放电，使真空室中气体（聚变燃料）电离并形成电流，强等离子体电流产生极向磁场电离并形成电流，强等离子体电流产生极向磁场, ,与与环形磁场结合，形成环形磁场结合，形成旋转变换磁场，旋转变换磁场，约束高温等离约束高温等离子体，这种装置称子体，这种装置称“托卡马克装置托卡马克装置”。托卡马克名称托卡马克名称(Tokamak)环形环形(toroidal)、真空室、真空室(kamera)、磁、磁(magnit)、线圈线圈(kotushka)
14、的字母缩写。的字母缩写。托卡马克模型（HL-2M）等离子体电流等离子体电流环形真空室环形真空室产生环形产生环形磁场线圈磁场线圈环形磁场环形磁场角向磁场角向磁场托卡马克异军突起20世纪世纪60年代，各种装置获得的实验结果与预期的年代，各种装置获得的实验结果与预期的相距甚远，唯有托卡马克装置取得了重大进展相距甚远，唯有托卡马克装置取得了重大进展前苏联的前苏联的T-3：电子温度达到：电子温度达到1keV，离子温度，离子温度0.5keV，等离子体约束时间达到了，等离子体约束时间达到了“玻姆扩散时间玻姆扩散时间”的的50倍，优于其他类型装置。倍，优于其他类型装置。在在1968年召开的第三届等离子体和受控
15、热核聚变研年召开的第三届等离子体和受控热核聚变研究国际会议上公布了苏联的究国际会议上公布了苏联的T-3结果，立刻引起轰动。结果，立刻引起轰动。1969年，英国卡拉姆实验室主任皮斯（年，英国卡拉姆实验室主任皮斯（Pease，R.S.）带领专家小组，对上述结果做了实地验证核实，）带领专家小组，对上述结果做了实地验证核实，证明准确无误后，引起了极大的反响。证明准确无误后，引起了极大的反响。从此各国纷纷改建或新建托卡马克装置从此各国纷纷改建或新建托卡马克装置大量托卡马克装置建立欧共体欧共体“JET”美国美国PLT,TFTR苏联苏联T-10,T-15日本日本JT-60U中国中国1973年开始筹建环流器年
16、开始筹建环流器HL-1(1984),HL-1M(1994)（四川）（四川）HT-6B(1980),HT-6M(1985),HT-7(1995),EAST(2006)（合肥）（合肥）30多个国家建造了几十个托卡马克装置多个国家建造了几十个托卡马克装置JET(欧洲联合环欧洲联合环) 突破性进展1991.11.欧共体欧共体“JET”突破性进展突破性进展第一次实现第一次实现DT聚变反应：聚变反应：高温高温3亿度、约束亿度、约束2秒、反应秒、反应1分钟、分钟、产生产生1018中子、输出中子、输出1.8兆瓦兆瓦1997.12.提提高高到到16.1兆兆瓦瓦，为为输输入入功功率率的的65%。离离“点火点火”不
17、远了不远了！结果十分鼓舞！结果十分鼓舞！核工业西南物理研究院 1984年建成的中国环流器一号（年建成的中国环流器一号（HL-1）1994年建成的中国环流器新一号（年建成的中国环流器新一号（HL-1M）两个中型托卡马克装置）两个中型托卡马克装置2002年建成年建成,中国环流器二号中国环流器二号A（HL2A）（从德国引进的具有偏滤器位形的托）（从德国引进的具有偏滤器位形的托卡马克装置）卡马克装置）中国环流器（HL-1M) )HL-2A中科院等离子体所先后建成先后建成HT-6B、HT-6M等托卡马克实验等托卡马克实验装置装置1991年从俄罗斯库尔恰托夫原子能所引进年从俄罗斯库尔恰托夫原子能所引进T7
18、超导托卡马克装置及其低温系统，对超导托卡马克装置及其低温系统，对T7进行根本性的改造，进行根本性的改造，1994年底成功地年底成功地建成大型超导托卡马克装置建成大型超导托卡马克装置HT-72004年年4月月11日至日至6月月14日在日在HT-7装置上高装置上高温等离子体物理实验研究中取得了突破性温等离子体物理实验研究中取得了突破性进展，放电脉冲长度突破了百秒关，达到进展，放电脉冲长度突破了百秒关，达到了了240秒秒HT-7超导托卡马克装置我国新一代核聚变实验装置中中科科院院等等离离子子体体物物理理所所设设计计制制造造的的全全超超导导核核聚聚变变实实验验装装置置（EAST)，工工程程总总投投资资
19、近近3亿亿元元，今今年年7-8月月进进行行首首次次放放电电实实验验。这这是是世世界界上上第第一一套实际运行的核聚变实验装置。套实际运行的核聚变实验装置。全超导非圆截面托卡马克实验装置全超导非圆截面托卡马克实验装置(EAST)，温度：温度：5千万至千万至1亿度亿度存在时间达存在时间达1000秒秒EAST成成为为世世界界上上第第一一个个建建成成并并真真正正运运行行的的全全超超导导非非圆圆截截面面核核聚聚变变实实验验装装置置，这这个个装装置置将将在在未来未来10年内保持世界先进水平。年内保持世界先进水平。”EAST装置国际热核试验堆计划(ITER)InternationalThermonuclear
20、ExperimentalReactor ITER计划的历史演变与曲折过程1985:里里根根-戈戈尔尔巴巴乔乔夫夫首首脑脑会会议议上上提提出出，在在核核聚聚变变能能方方面面进进行行国国际际合合作作，后后来来密密特特朗朗、戈戈尔尔巴巴乔乔夫夫、里里根根又又进进行行几几次次会会晤晤，确确定定设设计和建造国际热核聚变实验堆（计和建造国际热核聚变实验堆（ITER）1990年完成了年完成了ITER概念设计概念设计。1999年美国宣布退出年美国宣布退出ITER计划。计划。2001年年6月月，欧欧、日日、俄俄经经过过三三年年努努力力，完完成成了了ITER的的工工程程设设计计阶阶段段，造造价价已已降降至至约约4
21、6亿美元亿美元经过经过15年曲折过程，完成了工程设计。年曲折过程，完成了工程设计。ITER计划的新进展2002年年，欧欧、日日、俄俄开开始始协协商商ITER计计划划，并并邀邀请请中中国国与与美美国国参参加加。中中国国先先于于美美国国，2003年年1月月正正式式宣宣布布参参加加协协商商，同同月月美美国国总总统统布布什什也也宣宣布布重重新新加加入入ITER计划。计划。2003年年2月月18-19日日，ITER第第八八次次政政府府间间谈谈判判在在俄俄罗罗斯圣彼得堡举行，斯圣彼得堡举行，中国和美国出席本次会议中国和美国出席本次会议。我国立项经历了我国立项经历了3年的重大争论，终于加入年的重大争论，终于
22、加入2005年韩国、年韩国、2006年印度也参加了计划协商谈判。年印度也参加了计划协商谈判。七成员国和地区政府草签协议2006年年5月月25日日，七七个个成成员员国国和和地地区区政政府府草草签签协协议议，建设国际热核聚变实验堆。建设国际热核聚变实验堆。目标目标：功率达：功率达50万千瓦小型万千瓦小型热核电站热核电站。人人类类第第一一次次在在地地球球上上获获得得持持续续的的，有有大大量量核核聚聚变变反反应的热电站。应的热电站。2035年年（如如果果试试验验顺顺利利）开开始始建建设设第第一一个个示示范范性性核聚变发电站核聚变发电站2055年年左右完成左右完成商业核聚变发电站的建设商业核聚变发电站的
23、建设本本世世纪纪后后期期，人人类类通通过过受受控控核核聚聚变变获获得得永永不不枯枯竭竭能源的愿望将有可能成为现实。能源的愿望将有可能成为现实。ITER计划正式签署、生效并实施2006年年11月月22日日，中国、欧盟、印度、日本、韩，中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国国、俄罗斯和美国7方代表在法国方代表在法国正式签署正式签署了该计了该计划的联合实施协定，标志着这个开发新能源的重大划的联合实施协定，标志着这个开发新能源的重大科学计划进入实施阶段。科学计划进入实施阶段。ITER建在法国，建在法国，项目预计持续项目预计持续35年，建造期年，建造期10年，年，开发利用阶段开发利用阶段20年，退役
24、期年，退役期5年，总费用约为年，总费用约为50亿亿美元，欧盟承担美元，欧盟承担40%的费用，其余的费用，其余6方分别承担方分别承担10%，这是历史上总投入仅次于国际空间站的第二，这是历史上总投入仅次于国际空间站的第二大国际科技合作项目。大国际科技合作项目。经各国议会批准后，协议正式生效。今年经各国议会批准后，协议正式生效。今年10月月24日日欧盟委员会宣布，欧盟委员会宣布，ITER合作协定当天正式开始实合作协定当天正式开始实施，同时施，同时“国际热核实验反应堆国际热核实验反应堆”组织（组织（ITEROrganization）当天也正式成立。）当天也正式成立。中国参加ITER计划的意义 显显示示
25、我我们们在在重重大大科科学学领领域域中中的的大大国国地地位位，表表示示中中国国人民为人类发展做贡献。人民为人类发展做贡献。积积累累经经验验、培培养养人人才才，在在比比较较短短的的时时间间内内，使使我我们们国国家家核核聚聚变变的的研研究究赶赶上上国国际际水水平平，加加快快我我们们国国家家核核聚变能源开发的进程聚变能源开发的进程参加参加ITER计划现实意义，能够得到近期的回报计划现实意义，能够得到近期的回报因因为为我我们们国国家家在在ITER建建造造过过程程中中要要负负担担大大约约40多多亿亿人人民民币币，其其中中有有80%可可以以用用国国内内制制造造的的实实物物和和设设备备来来支支付付。我我国国
26、分分工工负负责责的的部部分分中中有有很很多多都都是是核核反反应应堆堆计计划划的的核核心心项项目目。通通过过实实物物的的研研制制、可可大大大大提提高国内企业的技术能力和国际竞争力高国内企业的技术能力和国际竞争力.ITER的设计参数与指标ITER模型ITER的主要设计参数 大半径：大半径：6.2m小半径：小半径：2.0m等离子体电流：等离子体电流：15MA环向磁场：环向磁场：5.3T能量增益因子能量增益因子：QDT10聚变功率：聚变功率：50万千瓦万千瓦燃烧持续时间：燃烧持续时间：400s(3000s)总投资：总投资：45.7亿美圆亿美圆ITER等离子体对ITER计划的胜利实施、实现核聚变能为人类造福，我们充满信心；在不远的将来，将一劳永逸地解决人类生存发展的能源，我们充满希望。 谢谢！
