中性束在等离子体中的传输分析

《中性束在等离子体中的传输分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、中国科学院等离子体物理研究所硕士论文第一章引言第一章绪论1．1前言随着社会的发展，工业的腾飞，人类对能源的需求日益增长，然而煤、石油、天然气这些化石燃料的供应越来越难以满足能源需求的增长速度。由于化石能源的储量随着开采不断锐减，经估计，按目前的开采速度，地球上的化石燃料贮量将在本世纪消耗尽。这些传统能源的利用也给环境污染和气候影响带来了严重的社会问题。这些化石原料中含有大量的化学物质，可以提炼出来为工业提供原料，直接将这些化石原料用于发电或者作为燃料是对自然资源的浪费。为了满足将来的能源需求，以及保护自然环境，开发清洁的新能源迫在眉睫。

2、太阳能和水能都是清洁的能源，已被人类广泛利用。但是水能的利用依赖于季节，太阳能的利用依赖于天气，无法实质性的满足能源需求。近年来裂变能的利用从一定程度上满足了人类目前的能源需求。但是核裂变原料在地球上的储量有限，不能维持人类长期的需求，而且会产生令人头疼的核废料问题。反应堆的固有不安全性也是对人类生活的一种威胁。聚变能是目前所知的最佳的能解决将来能源问题的清洁能源【l】。核聚变过程中两个轻核结合到一起，同时放出大量的能量。核聚变中最容易实现的过程是氢的同位素氘(D)和氚(T)反应生成氦和中子。D+rj；He(3．5^庇矿)+n(14．1

3、MeV)聚变能是用之不尽的能源。聚变原料在地球上的储量非常丰富。海水中含有D和；￡i，T可以从；三f中提炼。一升海水中大约含有33mg的D，它经过核聚变所释放的能量大约相当于燃烧300升汽油的能量。即使考虑到随着社会的发展，能源消耗的增长，地球上的整个聚变原料的储量将可以满足人类几百万年的能源消耗。由此可见聚变能是一种取之不尽，用之不竭的能源。聚变能是安全的能源。尽管氚(T)具有放射性，但是它的半衰期仅12年。聚变产物He是一种无污染的惰性元素。尽管高能中子会使反应堆内部的材料活化，产生放射性，但是只要T在装置内部生殖，保存在一个封闭的

4、系统中，同时选取建造反应堆的材料的半衰期小于100年左右，就可以保证核聚变是清洁的能源途径。与核裂变相比，核聚变的产物少，危害性小。由于核聚变堆是连续供应中国科学院等离子体物理研究所硕

5、二论文中性束在等离子体中的传输研究原料，而不是像核裂变存储多年的原料在堆内部，所以它不会发生事故导致堆的熔化或是爆炸性事故。核聚变反应不像核裂变的链式反应，所以核聚变是一种相对于核裂变具有内在安全性的能源途径。1．2托卡马克即使是最容易实现的核聚变过程(D，T)也需要高达十亿度的温度，在这个温度下任何物质都会化为灰烬。要实现核聚变反应必须将原料加热到高达

6、十亿度的温度，在这个温度下物质呈现第四态一等离子体态。目前约束等离子体的主要途径有两类：惯性约束和磁约束。相应的受控热核聚变的研究也有磁约束和惯性约束两大类。惯性约束聚变是利用激光聚爆产生高密度的等离子体，利用惯性约束等离子体实现聚变反应，等离子体的约束一般是瞬态的，它是在激光技术有了突破性进展的60年代开始发展起来的。磁约束聚变是利用强磁场约束高温等离子体实现聚变。由于等离子体处于电离态，带点粒子就会沿着磁力线运动，好像是粘在磁力线上一样，选择合适的磁场位形就可以将等离子体约束住。磁约束聚变的研究工作早在50年代初就在美苏等国家秘密展

7、开。起初两国都以为可控核聚变可以像核裂变一样在几十年内就研究成功，但是随后遇到的诸多难题使得大家达成共识，可控核聚变的实现必须结合全人类的智慧，通过国际合作和全世界的努力才有可能实现。在磁约束受控聚变研究已经走过的半个世纪里，各种各样的实验装置被研究和发展起来，例如磁镜、Z．pinch、仿星器、托卡马克等。其中大多数经过实验证明没有太多价值和希望已经被淘汰，而托卡马克是发展最成功、目前为止最有希望建堆的装置类型【l】。托卡马克的位形示意图如图1．1所示。托卡马克是一种环形强磁场装置，它利用外部线圈产生环向磁场与等离子体电流自身产生的极向

8、磁场共同构成旋转变换的磁场位形。等离子体电流由变压器感应次级线圈一等离子体产生。中国科学院等离子体物理研究所硕士论文第一章引言coilswoundaroundtorustoproducetoroidalmagneticfield图1托卡马克位形原理图。托卡马克位形对等离子体具有良好的约束性能，取得了重大进展，装置的尺寸由早期的台面型发展到接近反应堆的尺寸，等离子体的体积超过100m3。在大型托卡马克装置JET(欧洲联合环，大半径R=3m，小半径a=lm)上利用中性束注入和离子回旋加热已经将离子温度提高到20～40keV，达到聚变堆燃烧等

9、离子体所要求的温度【21。在JET上进行的氘氚实验，聚变输出功率已达17MW，在3秒的准稳态放电中输出聚变能量达21MJ，输出与输入功率比一增益达0．65。尽管离商业性的能源利用还有很长的路，但是实验上已经