【5A文】托卡马克等离子体约束.ppt

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1、托卡马克等离子体约束核工业西南物理研究院,成都2007年8月12日于四川大学严龙文2007年8月核聚变与等离子体物理暑期讲习班人类生活对能源的需求核聚变及受控核聚变原理等离子体约束的基本问题等离子体约束的各种模式等离子体输运与能量约束定标约束改善与边缘局域模控制总结和讨论内容摘要人类生活对能源的需求日益增大能源消耗图表自从人类学会如何使用能源使自己生活更加舒适和方便后，人们使用能源的能力和对能源的消耗就不断增加。工业文明发展之后，这种需求和增加就越来越快。为了保持人类的舒适生活，现在对能源的消耗极大各种能源消耗的份额石油35%煤23.5%天然气20.7%核能6.8%生物能11

2、.1%水能2.3%现存能源种类其他能源：风能、太阳能、地热能、等0.5%古时，人类多使用太阳能、风能、水能等自然能源，以及少量的树木等可再生能源农业社会时，许多像树木一样的可燃烧物被使用，也有少量的煤、石油等化石燃料被使用。工业文明之后，大量的化石燃料被使用，而且随着人口的急剧增加和科学技术的发展，将会出现了严重能源危机和污染问题。中国对石油的需求和产量世界上石油资源的蕴藏量分布世界上的石油资源分布极其不均衡，其中中东地区占有已探明储量的70%。中国是一个石油储量相对贫乏的国家。各种化石能源的使用年限按照现在的消费增长，化石燃料可供人类使用时间分别为:煤：220年石油：40年

3、天然气：60年人类生活对能源的需求核聚变及受控核聚变原理等离子体约束的基本问题等离子体约束的各种模式等离子体输运与能量约束定标约束改善与边缘局域模控制总结和讨论内容摘要核聚变原理当两个轻原子核结合成一个较重的原子核时，会释放能量。我们称这种结合为聚变，放出的能量称为聚变能。在人工控制下的聚变称为受控聚变，释放受控聚变能量的装置，称为聚变反应堆或聚变堆。D-D反应D-T反应常用的核聚变反应轻核聚合反应：1D2+1D2→2He3+0n1+3.2MeV1D2+1D2→1T3+1p1+4.0MeV1D2+2He3→2He4+1p1+18.3MeV1D2+1T3→2He4+0n1+17

4、.6MeV故总结果：61D2→22He4+21p1+20n1+43.1MeV即每个氘核聚变后可产生约7.2MeV的能量，是每个重核裂变释放能量0.85MeV的8.5倍，单位质量的氘核聚变释放的能量比裂变大很多，这是聚变反应作为一种潜在新能源的突出优点。地球上有多少氘氘（D）和氚(T）是氢的同位素。海水里含有丰富的氘，自然界中基本上没有氚。如果将海水里所有的氘全部用来发电，将是取之不尽的能源。1升海水相当于340升汽油的能量。海水里含有丰富的氘氚的生成用地球陆地上的锂生成氚可以使用上千年海水里也蕴藏丰富的锂资源氚的衰变氚的半衰期为12.3年，所以自然界中不存在大量的氚。在自然界

5、中只存在3.7kg的氚。而氚在人体中只能存在40天。在氚的衰变过程中，只会产生低能β射线（电子），β射线甚至不能穿透皮肤。空气中的β射线只能传播几毫米。等离子体固体液体气体等离子体增加原子(核)运动速度的方法通常是提高物体的热运动速度。当物体的温度足够高时，物体呈等离子态。等离子体的约束方法等离子体是由宏观上呈电中性的带电粒子所组成。自然状态下的等离子体是自由运动的。高温的等离子体必须要约束较长的时间。磁场可很好约束高温等离子体，使其沿磁力线运动。磁约束等离子体的聚变装置托卡马克（Tokamak）仿星器（Stellarator）托卡马克装置原理托卡马克等离子体的加热通常用“聚

6、变三乘积和增益Q值”来衡量等离子体的品质参数。劳逊判据：要达到能量得失相当，要求等离子体密度n与等离子体能量约束时间的乘积n×τE的最小值约为0.6×1020m-3s，即满足聚变反应物理可行性的最低要求。若QDT=1，则要求nT乘积达到2×1021m-3skeV聚变反应率随温度急剧增加聚变等离子体持续燃烧需要有足够的高温、高密和长时间的约束，即满足所谓劳逊判据。考虑轫致辐射损失后的劳逊判据要求nTE大于31021m-3keVs。对于大型托卡马克装置温度T=10keV，离子密度11020m-3，得到能量约束时间要达3s以上。受控核聚变研究的发展50’s：建立了最初的小型

7、磁约束装置60’s：建立了成功的托卡马克装置70’s：建立了中型尺寸的托卡马克80’s：建立了大型的托卡马克90’s：达到了聚变功率得失相当水平2006：协议建造国际热核实验反应堆ITERITER的典型参数尺寸：24m（高）30m（直径）大半径：6.2m小半径：2m磁场：5.3T等离子体体积：850m3放电持续时间：3000s加热功率：73MW(I)聚变功率：500MW功率增益Q：10我们离受控聚变成功还有多远可自持的受控核聚变反应堆使用已有的氘和氚建立等离子体放电，达到聚变反应条件聚变反应生成中子、能