聚变能利用与国际热核试验堆

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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石燃料资源有限，不可能长期满足人类生存发展需要化石燃料(煤炭、石油、天然气）有限，几十、百余年或2-3百年将耗尽！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）一氧化碳、烟尘、二氧化硫、氮氧化物、；三、四苯芘（强致癌）；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！聚变能是解决能源问题的根本途径核能：裂变能和聚变能裂变能利用：热堆电站：铀利用率太低～1-2%（只用235U）快堆电站：铀利用率：60-

2、70%天然238U（包括热堆乏燃料！）通过中子增殖，再生核燃料239Pu，n→238U→239U→239Np→239Pu“烧掉”铀-238，再生更多的钚-239,核燃料再生利用铀资源可用2000年！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，澳大利亚奥利芬特（Oliphant）用氘轰击氘，生成一种具有放射性的新同位素氚，第一个实现了D-D核聚变反应1942年美国普渡大学的施莱伯（Schreiber）和金（King）又首次实现了D-T核反应聚变反应与聚变能聚变反应：D+D→3He+n+3.27MeVD+D

3、→T+p+4.03MeVD+3He→4He+p+18.35MeVD+T→4He+n+17.59MeVD是氘核（重氢）、T是氚核（超重氢）总的反应效果：6D→24He+2p+2n+43.24MeV平均每核子的聚变能比裂变能大4倍聚变的燃料资源丰富海水氘（D）在氢中占1/6500，每升海水中含氘33mg每升海水聚变能=300升汽油燃烧释放能量海水中氘总量35万亿吨，可用几亿年！氚天然不存在,靠锂生产：n+6Li→T+4He+4.8MeV地球上锂丰富，我国可采的锂数百万吨；聚变产生1万亿度电只需100吨锂；氦-3：月球上丰富，50-500万吨，用月球车运回

4、1000吨，可发电万亿度,现在谈氦-3利用是过早了!巨大太阳能的来源太阳核聚变：主要是质子循环p+p→D+β++νp+D→3He+γ3He+3He→4He+p+p4p→4He+2e++2ν+26.7MeV比235U每核子裂变能大8倍。太阳每天聚变“燃烧”50万亿吨氢，太阳的氢可稳定燃烧几十亿年！地球上建造的产生核聚变能装置，称“人造太阳”。聚变能利用原理聚变反应的困难两个核都带正电，引起聚变反应必须克服库仑斥力。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，引起核聚变很容易,但在能量上得不偿失！2.用两束高能氘核对撞实现核聚变,两束

5、氘核几乎是完全透明，几率太低！3.受控热核反应：将一团氘核约束在一起，并加热使其到达足够高的温度，形成完全电离气体，称“等离子体”，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，称受控热核反应。受控热核反应条件实现核能利用，条件十分苛刻，满足：高温：燃料（氘、氚）需1～10亿度（克服静电排斥）——高温氘氚等离子体约束：足够密度与足够长时间DT反应要求相对低些DD反应要求高条件十分苛刻，是对人类的重大挑战！因此聚变发现，并不像1939年裂变发现那样震惊世界。只有实现原子弹爆炸后，聚变能才以氢弹爆炸形式得到释放。实现受控热

6、核反应途径1.磁约束—利用磁场约束等离子体成功典型：托卡马克装置2.惯性约束—激光核聚变1963巴索夫（苏）、1964王淦昌（中）分别提出因为出现高功率激光器，使之成为可能。要达到极高温度、实现热核聚变，还需采用各种加热手段。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战末期，前苏联和美、英各国在互相保密的情况下开展核聚变的研究；秘密的研究结果远未达到当初的期望，人们开始认识到核聚变问题的复杂和艰难，都感到保密不利于研究的进展；磁约束核聚变与热核武器在科学技术上没有重大的重叠，而且其商业应用的竞争为时尚早。1958年秋在日内瓦举行的第二届和平利

7、用原子能国际会议上达成协议，各国互相公开研究计划，并在会上展示了各种核聚变实验装置。自这次会议后，研究重点转向高温等离子体的基础问题，各种相关的论文、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，绕磁力线做回旋运动，在垂直磁场方向上受到（横向）约束回旋中心、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1、环形磁场装置问题：磁力线弯曲或不均匀等产生“漂移”2、磁镜装置两端强、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。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

8、、两端强的磁场位形，可使带电粒子在两极间来回反射问题：速度空间逸出锥等离子体难以建立苏联огра失败简单环形