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1、*,SWIP,核聚變能源開發(fā)的進展與展望,核工業(yè)西南物理研究院,潘 傳 紅,2010年3月,報 告 內 容,第一部分,等離子體的基本屬性,第二部分 受控,核聚變一般原理介紹,第三部分,等離子體物理學與核聚變工程技術研究進展,第四部分,熱核工程技術與示范堆、商用堆,一、等離子體的基本屬性,物質第四態(tài)，物質存在的基本形態(tài)；,宏觀電中性和微觀電荷分離，電荷分離只存在于很小的線度(德拜長度)內，這種自屏蔽效應稱為“德拜屏蔽”；,帶電粒子（受長程庫侖力支配）構成的多粒子體系，連續(xù) 電 磁流 體（簡稱“磁流體”），色散電介質；,單個帶電粒子在外電磁場中的運動形態(tài)為“軌道運動”，而等離子體整體則呈“集體運
2、動”形態(tài)。不同 于一般的流體力學系統(tǒng)(色散電介質)，等離子體“集體運 動”從模式到特征頻率都異常復雜。只要存在“自由能”，某些集 體運動模式便會激發(fā)起來并傳播開去,發(fā)展成為“不穩(wěn)定性”。,一、等離子體的基本屬性,等離子體存在無窮多“自由度”，每個“自由度”都象“窗口”一樣對“擾動”敞開，導致等離子體（力學系統(tǒng)）極易偏離（甚至遠離）自己的平衡態(tài)，但也存在許多“渠道”使其回到新的平衡態(tài)。這一現象使等離子體 成為非線性科學研究的主要對象之一。,由于電子和離子熱速度的差別，便在固體界面附近（德拜長 度線度 內）形成負電位的“鞘層”。“鞘層”的概念是所有等離子體加工的基礎，由于“鞘層”是由等離子體“自組
3、織”形成和維持的，人們只需要控制等離子體的外部宏觀參數(氣體種類、工作氣壓、放電功率等），即可達到各種加工的目的。,由于帶電組元（電子、離子）處于“游離狀態(tài)”，使等離子體中容易發(fā)生多種原子、分子（如電離、復合、激發(fā)、退激、熱解、裂解、離子合成、亞穩(wěn)態(tài)電離、亞穩(wěn)態(tài)復合、亞穩(wěn)態(tài)及高激發(fā)態(tài)原子等）過程，這些過程通稱“等離子體活性”。在等離子體化工、等離子體涂層、等離子體聚合、等離子體結晶中有非常重要的意義。,二、受控核聚變一般原理介紹,1、環(huán)境問題與核聚變能源,能源短缺和環(huán)境惡化是21世紀人類社會面臨的兩大難題。目前作為主要能源的石油、煤、天然氣等儲量有限，太陽能、生物能、風能、水電等裝機容量有限且
4、受地域限制，化石能源燃燒釋放的溫室氣體使人類生存條件日益惡化，核能作為一種新型能源被世界各國關注。核裂變能在50年代已得到成功應用，但存在放射性廢物處理和鈾資源儲量問題。核聚變能以其資源無限與潔凈，向人類展示了不可比擬的優(yōu)勢和前景。,二、受控核聚變一般原理介紹,1、環(huán)境問題與核聚變能源,核聚變能是宇宙間所有恒星（包括太陽）釋放光和熱的能源。,聚變電站將首先利用氘氚聚變能。氘在海水中儲量極為豐富，一升海水里提取出的氘，釋放的聚變能相當于燃燒300升汽油；氚可在反應堆中通過鋰再生，而鋰在地殼和海水中都大量存在。,人類開發(fā)核聚變能源經歷了艱苦的歷程。自20世紀40年代末起，各國投入科學家及工程師上千
5、人，總計經費每年超過10億美元。人們對開發(fā)聚變能源難度的認識也逐步深化，從20世紀70年代開始，原蘇聯科學家提出的“托克馬克”概念顯示獨特優(yōu)勢，成為磁約束核聚變研究的流。,二、受控核聚變一般原理介紹,1、環(huán)境問題與核聚變能源,氘氚聚變釋放的能量,:氘和氚發(fā)生聚變后，氘核和氚核,聚,合,生,成1個氦核,和,1個中子，并,釋,放17.6Mev,（其中,中子,攜帶,14.1MeV、氦核,攜帶,3.5MeV）,的,能量。氘氚聚變有5個核子參加反應，而鈾235裂變有236個核子參加反應。如果按每個核子釋放的能量比較，氘氚聚變釋放的能量是鈾235裂變釋放的能量的4.14倍。,受控核聚變的苛刻條件,：,要求
6、,有上億度的溫度(足夠高溫度)，以便原子核能夠克服庫侖力，充分靠近從而進入核力場的作用范圍并發(fā)生核聚變反應；要求高溫的聚變粒子不能太稀薄(較高密度)，以便增加原子核之間碰撞的可能性；要求能夠將高溫高密的聚變粒子約束足夠長的時間(較長能量約束時間)，以便有充分的時間發(fā)生核聚變反應。,二、受控核聚變一般原理介紹,氘氚核聚變原理,二、受控核聚變一般原理介紹,Plasma,self-heating,Tritium,replenishment,Li,Electricity,Hydrogen,二、受控核聚變一般原理介紹,托卡馬克裝置示意圖,2、磁約束受控核聚變,二、受控核聚變一般原理介紹,2、磁約束受控核
7、聚變,（1）“聚變等離子體物理學”,研究的目標：,驗證受控核聚變的科學可行性,二、受控核聚變一般原理介紹,2、磁約束受控核聚變,（2）“聚變等離子體物理學”研究的范圍,（A）約束與輸運研究,（,B）(電)磁流體不穩(wěn)定性研究（,重點研究對未來聚變堆有重大影響的,等離子體破裂、新經典撕 裂模、電阻壁 模和邊沿局部模）,（C）高能粒子行為研究,通過以上三方面的研究，驗證,“先進托卡馬克運行模式”,（ITER的科學基礎）：,高約束模,。,通過抑制等離子體不穩(wěn)定性(導致反常輸運的集體運式)、優(yōu)化和控制等離子體位形、建立大尺度輸運壘，實現高性能約束模式(高能量約束時間)，以及高約束模式下的等離子體物理學問
8、題究；,高功率密度,。通過二級加熱提高和維持等離子體功率密度(高經濟性能)，及大功率二級加熱條件下的等離子體物理學問題研究；,高額自舉電流,。,產生和維持高額自舉電流(是維持聚變堆穩(wěn)態(tài)運行的必要條件)，及高額自舉電流條件下等離子體物理學問題研究。,二、受控核聚變一般原理介紹,2、磁約束受控核聚變,（2）“聚變等離子體物理學”研究的范圍,（D）先進偏濾器概念及偏濾器物理研究,包括刮離層物理、,粒子的能量及粒子排出、等離子體與器壁相互作用、器壁對燃料粒子的化學吸附及解吸、器壁雜質粒子的濺射及其對芯部的影響等,（E）,穩(wěn)態(tài)燃燒等離子體物理學（,包括,粒子自加熱，,這是ITER的科學目標）,二、受控核
9、聚變一般原理介紹,2、磁約束受控核聚變,（3）“聚變等離子體物理學”研究的方法,三大理論體系基礎：色散介質電動力學、等離子體統(tǒng)計力學、（電）磁流體力學,發(fā)展先進診斷技術，開展等離子體物理實驗研究,開發(fā)計算機軟件平臺，開展數值模擬和（計算機）仿真實驗。,二、受控核聚變一般原理介紹,2、磁約束受控核聚變,（4）“聚變等離子體物理學”實驗研究,等離子體電磁學參數、熱力學參數、流體力學參數、雜質(有效Z)、裝置及其附屬系統(tǒng)運行參數實驗觀測；,等離子體漲落量測量、磁流體（MHD）不穩(wěn)定性“特征”研究及其控制方法研究；,等離子體“宏觀流”（表征等離子體由“無序”走向“有序”因而相應的不穩(wěn)定性被抑制）實驗研
10、究；,等離子體二級加熱、電流驅動及等離子體電流剖面控制實驗研究；,等離子體加料及密度剖面控制實驗研究；,等離子體輸運行為實驗研究等。,二、受控核聚變一般原理介紹,2、磁約束受控核聚變,（5）“等離子體相關技術”研究領域,磁體技術、特殊供電與控制技術;,等離子體二級加熱及電流驅動技術(微波技術、中性粒子束技術)；,先進診斷技術(,電磁測量、粒子質譜/能譜測量、微波測量、熱輻射測量、激光測量、光譜分析、X射線測量、核測量等 30多種先進診斷技術),;,（,面對等離子體)第一壁處理及雜質控制技術,；,先進偏濾器概念及偏濾器技術研究；,等離子體加料技術;,等離子體位形反饋控制技術;,數據采集與處理技術
11、;,軟件技術及計算機仿真實驗(技術)。,三、等離子體物理學與核聚變,工程技術研究進展,1、國際受控核聚變研究的進程,受控熱核聚變研究分為慣性約束和磁約束兩種途徑。,兩種,途徑,的研究持續(xù)了半個多世紀。八十年代以來形成了以托卡馬克為重點途徑的磁約束聚變研究局面。,九十年代以來，在托卡馬克裝置上取得重大進展,:,1991,年,11,月，歐共體,JET,裝置上首次成功地進行了,D-T,放電實驗,1997,年創(chuàng)下了輸出聚變功率,16.1MW,、,聚變能,21.7MJ,的世界最高紀錄；,美國的,TFTR,裝置于,1993,年,10,月也實現了,D-T,反應；,1998,年，日本,JT-60U,裝置上獲得
12、了聚變堆級的等離子體參數，聚變三乘積,1.5310,21,keVsm,-3,，,等效聚變功率增益達到,1.25,。,國際熱核聚變實驗堆,(ITER),開始建設，標志著聚變能研究由基礎性研究開始進入了實驗堆的研究階段。,三、等離子體物理學與核聚變,工程技術研究進展,2、中國受控核聚變研究,我國受控核聚變研究始于五十年代，經過近四十余年的原理探索階段,進入規(guī)?；瘜嶒炑芯侩A段。從裝置規(guī)模和達到的技術指標看,與國外先進水平相比大體有10年左右的差距,聚變三乘積（即能量約束時間、等離子體密度和溫度三者的乘積）大約差1-2個數量級。,三、等離子體物理學與核聚變工程技術研究進展,中國環(huán)流器二號A裝置,（a）
13、當前 （b）改造后,三、等離子體物理學與核聚變工程技術研究進展,HL-2A裝置改造與升級,FCI(Flow Channel Insert)MHD experiments,Liquid metal experimental loop(LMEL)upgrade,三、等離子體物理學與核聚變工程技術研究進展,改進后的液態(tài)金屬試驗回路(LMEL)以及MHD實驗安排,三、等離子體物理學與核聚變工程技術研究進展,2、中國受控核聚變研究,低活化材料釩基合金的研制,三、等離子體物理學與核聚變工程技術研究進展,2、中國受控核聚變研究,聚變增殖堆FEB-E概念設計(三維圖),三、等離子體物理學與核聚變工程技術研究進
14、展,2、中國受控核聚變研究,環(huán)流器二號A裝置,是我國第一個偏濾器位形托卡馬克裝置。等離子體電流達430千安、放電時間3秒。,在該裝置上開展了：改善約束、等離子體輸運、等離子體帶狀流、破裂特征、等離子體位形控制等前沿課題研究。先后應邀在20屆和21屆世界聚變能大會上報告。,中科院TH-7裝置和EAST裝置,(超導托卡馬克)。TH-7裝置上開展了長脈沖(,等離子體電流60千安時300秒,)放電實驗和離子伯恩斯坦波(IBW)加熱實驗。為EAST裝置的建設積累了超導磁體技術的堅實基礎，EAST裝置于是2006年建成。,由于我院的國際影響以及成都市政府的大力支持，21屆世界聚變能大會在成都召開，我院18
15、篇報告被選中，其中包括1篇邀請報告和1篇口頭報告。這是我院取得的重大突破。,圖1.,ITER裝置示意圖,三、等離子體物理學與核聚變工程技術研究進展,3、國際熱核實驗堆（ITER）計劃簡介,三、等離子體物理學與核聚變工程技術研究進展,3、國際熱核實驗堆（ITER）計劃簡介,2006年，七方共同簽署了國際熱核實驗堆聯合實施協(xié)定，ITER計劃進入實施階段。該計劃是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一，建設周期十年，耗資五十億美元（1998年值）。,七方成員分別為歐盟、中國、韓國、俄羅斯、日本、印度和美國，包括了世界上主要的核大國和世界人口的一半。,ITER計劃的實施結果將決定人類能否迅
16、速地、大規(guī)模地使用聚變能，從而可能影響人類從根本上解決能源問題的進程。,3國際熱核實驗堆（ITER）計劃簡介,ITER的主要系統(tǒng):磁場線圈系統(tǒng),，,真空室系統(tǒng),，,真空室內部件（屏蔽包層模塊和偏濾器元件），低溫恒溫器，水冷系統(tǒng)，低溫站，加熱和電流驅動系統(tǒng)，供電系統(tǒng)，加料和抽氣系統(tǒng)，氚系統(tǒng)，診斷系統(tǒng),等,。,有關技術研發(fā)已基本完成。其中：中心螺管線圈、環(huán)向場線圈、真空室、包層模塊、偏濾器、屏蔽包層模塊遙控操縱系統(tǒng)、偏濾器遙控操縱系統(tǒng)等七大關鍵部件的技術難度最大。,三、等離子體物理學與核聚變工程技術研究進展,3國際熱核實驗堆（ITER）計劃簡介,我國承擔的12個采購包(實物貢獻)一覽表：,磁體支撐（100%、22.85 kIUA），包層第一壁/包層屏蔽體(10%/40%、31.9 kIUA),，,氣體閥門箱和輝光放電清洗系統(tǒng)（88%、6.78 kIUA）,，,中子診斷系統(tǒng),（,中子通量測量、2.0I kIUA,）;,修正場線圈,（100%、2.6 kIUA），,磁體引線,（100%、26.1 kIUA），,運輸小車和機械手系統(tǒng)（,只做小車、8.2 kIUA,）,，,光學測量系統(tǒng)（可見光譜測
受控核聚變于等離子體物理學
