受控核聚變于等離子體物理學(xué)

《受控核聚變于等離子體物理學(xué)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《受控核聚變于等離子體物理學(xué)（32頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、*,SWIP,核聚變能源開發(fā)的進(jìn)展與展望,核工業(yè)西南物理研究院,潘 傳 紅,2010年3月,報(bào) 告 內(nèi) 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(xué)與核聚變工程技術(shù)研究進(jìn)展,第四部分,熱核工程技術(shù)與示范堆、商用堆,一、等離子體的基本屬性,物質(zhì)第四態(tài)，物質(zhì)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(zhǎng)度)內(nèi)，這種自屏蔽效應(yīng)稱為“德拜屏蔽”；,帶電粒子（受長(zhǎng)程庫(kù)侖力支配）構(gòu)成的多粒子體系，連續(xù) 電 磁流 體（簡(jiǎn)稱“磁流體”），色散電介質(zhì)；,單個(gè)帶電粒子在外電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)形態(tài)為“軌道運(yùn)動(dòng)”，而等離子體整體則呈“集體運(yùn)

2、動(dòng)”形態(tài)。不同 于一般的流體力學(xué)系統(tǒng)(色散電介質(zhì))，等離子體“集體運(yùn) 動(dòng)”從模式到特征頻率都異常復(fù)雜。只要存在“自由能”，某些集 體運(yùn)動(dòng)模式便會(huì)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(gè)“自由度”都象“窗口”一樣對(duì)“擾動(dòng)”敞開，導(dǎo)致等離子體（力學(xué)系統(tǒng)）極易偏離（甚至遠(yuǎn)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(xiàn)象使等離子體 成為非線性科學(xué)研究的主要對(duì)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(zhǎng) 度線度 內(nèi)）形成負(fù)電位的“鞘層”?！扒蕦印钡母拍钍撬械入x子體加工的基礎(chǔ)，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(shù)(氣體種類、工作氣壓、放電功率等），即可達(dá)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(fù)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(fù)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(jié)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(jì)人類社會(huì)面臨的兩大難題。目前作為主要能源的石油、煤、天然氣等儲(chǔ)量有限，太陽(yáng)能、生物能、風(fēng)能、水電等裝機(jī)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(guó)關(guān)注。核裂變能在50年代已得到成功應(yīng)用，但存在放射性廢物處理和鈾資源儲(chǔ)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(shì)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(yáng)）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(chǔ)量極為豐富，一升海水里提取出的氘，釋放的聚變能相當(dāng)于燃燒300升汽油；氚可在反應(yīng)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(jīng)歷了艱苦的歷程。自20世紀(jì)40年代末起，各國(guó)投入科學(xué)家及工程師上千

5、人，總計(jì)經(jīng)費(fèi)每年超過10億美元。人們對(duì)開發(fā)聚變能源難度的認(rèn)識(shí)也逐步深化，從20世紀(jì)70年代開始，原蘇聯(lián)科學(xué)家提出的“托克馬克”概念顯示獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，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(gè)氦核,和,1個(gè)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(gè)核子參加反應(yīng)，而鈾235裂變有236個(gè)核子參加反應(yīng)。如果按每個(gè)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(kù)侖力，充分靠近從而進(jìn)入核力場(chǎng)的作用范圍并發(fā)生核聚變反應(yīng)；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?qū)⒏邷馗呙艿木圩兞Ｗ蛹s束足夠長(zhǎng)的時(shí)間(較長(zhǎng)能量約束時(shí)間)，以便有充分的時(shí)間發(fā)生核聚變反應(yīng)。,二、受控核聚變一般原理介紹,氘氚核聚變?cè)?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(xué)”,研究的目標(biāo)：,驗(yàn)證受控核聚變的科學(xué)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(xué)”研究的范圍,（A）約束與輸運(yùn)研究,（,B）(電)磁流體不穩(wěn)定性研究（,重點(diǎn)研究對(duì)未來聚變堆有重大影響的,等離子體破裂、新經(jīng)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(yàn)證,“先進(jìn)托卡馬克運(yùn)行模式”,（ITER的科學(xué)基礎(chǔ)）：,高約束模,。,通過抑制等離子體不穩(wěn)定性(導(dǎo)致反常輸運(yùn)的集體運(yùn)式)、優(yōu)化和控制等離子體位形、建立大尺度輸運(yùn)壘，實(shí)現(xiàn)高性能約束模式(高能量約束時(shí)間)，以及高約束模式下的等離子體物理學(xué)問

8、題究；,高功率密度,。通過二級(jí)加熱提高和維持等離子體功率密度(高經(jīng)濟(jì)性能)，及大功率二級(jí)加熱條件下的等離子體物理學(xué)問題研究；,高額自舉電流,。,產(chǎn)生和維持高額自舉電流(是維持聚變堆穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的必要條件)，及高額自舉電流條件下等離子體物理學(xué)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(xué)”研究的范圍,（D）先進(jìn)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(duì)燃料粒子的化學(xué)吸附及解吸、器壁雜質(zhì)粒子的濺射及其對(duì)芯部的影響等,（E）,穩(wěn)態(tài)燃燒等離子體物理學(xué)（,包括,粒子自加熱，,這是ITER的科學(xué)目標(biāo)）,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(xué)”研究的方法,三大理論體系基礎(chǔ)：色散介質(zhì)電動(dòng)力學(xué)、等離子體統(tǒng)計(jì)力學(xué)、（電）磁流體力學(xué),發(fā)展先進(jìn)診斷技術(shù)，開展等離子體物理實(shí)驗(yàn)研究,開發(fā)計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)，開展數(shù)值模擬和（計(jì)算機(jī)）仿真實(shí)驗(yàn)。,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(xué)”實(shí)驗(yàn)研究,等離子體電磁學(xué)參數(shù)、熱力學(xué)參數(shù)、流體力學(xué)參數(shù)、雜質(zhì)(有效Z)、裝置及其附屬系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)；,等離子體漲落量測(cè)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(yīng)的不穩(wěn)定性被抑制）實(shí)驗(yàn)研

10、究；,等離子體二級(jí)加熱、電流驅(qū)動(dòng)及等離子體電流剖面控制實(shí)驗(yàn)研究；,等離子體加料及密度剖面控制實(shí)驗(yàn)研究；,等離子體輸運(yùn)行為實(shí)驗(yàn)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(guān)技術(shù)”研究領(lǐng)域,磁體技術(shù)、特殊供電與控制技術(shù);,等離子體二級(jí)加熱及電流驅(qū)動(dòng)技術(shù)(微波技術(shù)、中性粒子束技術(shù))；,先進(jìn)診斷技術(shù)(,電磁測(cè)量、粒子質(zhì)譜/能譜測(cè)量、微波測(cè)量、熱輻射測(cè)量、激光測(cè)量、光譜分析、X射線測(cè)量、核測(cè)量等 30多種先進(jìn)診斷技術(shù)),;,（,面對(duì)等離子體)第一壁處理及雜質(zhì)控制技術(shù),；,先進(jìn)偏濾器概念及偏濾器技術(shù)研究；,等離子體加料技術(shù);,等離子體位形反饋控制技術(shù);,數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)

11、;,軟件技術(shù)及計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)(技術(shù))。,三、等離子體物理學(xué)與核聚變,工程技術(shù)研究進(jìn)展,1、國(guó)際受控核聚變研究的進(jìn)程,受控?zé)岷司圩冄芯糠譃閼T性約束和磁約束兩種途徑。,兩種,途徑,的研究持續(xù)了半個(gè)多世紀(jì)。八十年代以來形成了以托卡馬克為重點(diǎn)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(jìn)展,:,1991,年,11,月，歐共體,JET,裝置上首次成功地進(jìn)行了,D-T,放電實(shí)驗(yàn),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(jì)錄；,美國(guó)的,TFTR,裝置于,1993,年,10,月也實(shí)現(xiàn)了,D-T,反應(yīng)；,1998,年，日本,JT-60U,裝置上獲得

12、了聚變堆級(jí)的等離子體參數(shù)，聚變?nèi)朔e,1.5310,21,keVsm,-3,，,等效聚變功率增益達(dá)到,1.25,。,國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆,(ITER),開始建設(shè)，標(biāo)志著聚變能研究由基礎(chǔ)性研究開始進(jìn)入了實(shí)驗(yàn)堆的研究階段。,三、等離子體物理學(xué)與核聚變,工程技術(shù)研究進(jìn)展,2、中國(guó)受控核聚變研究,我國(guó)受控核聚變研究始于五十年代，經(jīng)過近四十余年的原理探索階段,進(jìn)入規(guī)?；瘜?shí)驗(yàn)研究階段。從裝置規(guī)模和達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)看,與國(guó)外先進(jìn)水平相比大體有10年左右的差距,聚變?nèi)朔e（即能量約束時(shí)間、等離子體密度和溫度三者的乘積）大約差1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。,三、等離子體物理學(xué)與核聚變工程技術(shù)研究進(jìn)展,中國(guó)環(huán)流器二號(hào)A裝置,（a）

13、當(dāng)前 （b）改造后,三、等離子體物理學(xué)與核聚變工程技術(shù)研究進(jìn)展,HL-2A裝置改造與升級(jí),FCI(Flow Channel Insert)MHD experiments,Liquid metal experimental loop(LMEL)upgrade,三、等離子體物理學(xué)與核聚變工程技術(shù)研究進(jìn)展,改進(jìn)后的液態(tài)金屬試驗(yàn)回路(LMEL)以及MHD實(shí)驗(yàn)安排,三、等離子體物理學(xué)與核聚變工程技術(shù)研究進(jìn)展,2、中國(guó)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(xué)與核聚變工程技術(shù)研究進(jìn)展,2、中國(guó)受控核聚變研究,聚變?cè)鲋扯袴EB-E概念設(shè)計(jì)(三維圖),三、等離子體物理學(xué)與核聚變工程技術(shù)研究進(jìn)

14、展,2、中國(guó)受控核聚變研究,環(huán)流器二號(hào)A裝置,是我國(guó)第一個(gè)偏濾器位形托卡馬克裝置。等離子體電流達(dá)430千安、放電時(shí)間3秒。,在該裝置上開展了：改善約束、等離子體輸運(yùn)、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(yīng)邀在20屆和21屆世界聚變能大會(huì)上報(bào)告。,中科院TH-7裝置和EAST裝置,(超導(dǎo)托卡馬克)。TH-7裝置上開展了長(zhǎng)脈沖(,等離子體電流60千安時(shí)300秒,)放電實(shí)驗(yàn)和離子伯恩斯坦波(IBW)加熱實(shí)驗(yàn)。為EAST裝置的建設(shè)積累了超導(dǎo)磁體技術(shù)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，EAST裝置于是2006年建成。,由于我院的國(guó)際影響以及成都市政府的大力支持，21屆世界聚變能大會(huì)在成都召開，我院18

15、篇報(bào)告被選中，其中包括1篇邀請(qǐng)報(bào)告和1篇口頭報(bào)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(xué)與核聚變工程技術(shù)研究進(jìn)展,3、國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃簡(jiǎn)介,三、等離子體物理學(xué)與核聚變工程技術(shù)研究進(jìn)展,3、國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃簡(jiǎn)介,2006年，七方共同簽署了國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)堆聯(lián)合實(shí)施協(xié)定，ITER計(jì)劃進(jìn)入實(shí)施階段。該計(jì)劃是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國(guó)際科研合作項(xiàng)目之一，建設(shè)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(guó)、韓國(guó)、俄羅斯、日本、印度和美國(guó)，包括了世界上主要的核大國(guó)和世界人口的一半。,ITER計(jì)劃的實(shí)施結(jié)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(jìn)程。,3國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃簡(jiǎn)介,ITER的主要系統(tǒng):磁場(chǎng)線圈系統(tǒng),，,真空室系統(tǒng),，,真空室內(nèi)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(qū)動(dòng)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(guān)技術(shù)研發(fā)已基本完成。其中：中心螺管線圈、環(huán)向場(chǎng)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(guān)鍵部件的技術(shù)難度最大。,三、等離子體物理學(xué)與核聚變工程技術(shù)研究進(jìn)展,3國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃簡(jiǎn)介,我國(guó)承擔(dān)的12個(gè)采購(gòu)包(實(shí)物貢獻(xiàn))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(cè)量、2.0I kIUA,）;,修正場(chǎng)線圈,（100%、2.6 kIUA），,磁體引線,（100%、26.1 kIUA），,運(yùn)輸小車和機(jī)械手系統(tǒng)（,只做小車、8.2 kIUA,）,，,光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)（可見光譜測(cè)