新型能源材料

1、姓名：杨仁和 一：核聚变的研究背景 二：核能核聚变和核裂变 三：可控核聚变 四：托卡马克（Tomaka）装置 五： Tokama面临的问题 六：EAST未来的发展方向 不可再生能源：人类的煤炭，石油等这些化石能源的储藏量大概可供人类再使用200年左右。 可再生能源：风能，太阳能等具有一定的限制。 所以说人类最终的能源一定核聚变。太阳就是一个巨大的聚变体，几十亿年为人类提供了光和热，所以说我们要解决能源问题就必须实现“可控核聚变”。 为实现“可控核聚变”科学家想了很多办法，希望在地球上能够实现“人造太阳”这一梦想。“人造太阳”的梦想一旦实现，将会为人类带来100亿年以上的清洁能源。 随着工业社会

2、的不断发展,能源的短缺问题越来越影响人类的生存与发展。由于目前发现的可持续能源形式有风能、太阳能、水能、生物能等清洁能源,这些都源于太阳聚变反应所发出的能量。各种新型能源受地域、输出功率、储量等限制,只能作为补充方案,难以进行大规模的开发利用。所以研究核能意义重大。 （1）核裂变核聚变的概念 核裂变反应：一个重核裂变成两个或多个中等核数的核子，同时释放出巨大的能量。 核聚变反应：两个轻核数的核子结合成一个中等核数的核子，同时能释放出巨大的能量。 热核聚变能是轻核聚变所释放的能量。地球上最容易实现的聚变反应是氘氚反应： D( 氘) +T( 氚) ( 氦- 4) +n( 中子) +17.6MeV

3、能量 其中， 中子携带14.1MeV 能量。 在1 吨海水中氘约含40 克、锂约0.15 克，中子照射锂-6 可造氚。 1）原料来源广泛： 浩瀚的大海可为人类提供聚变能源至少几十亿年。其原料氘可从海水中提取，且含量丰富，氚可采用中子轰击锂得到,而锂也可从海水中大量提取。 2）轻核反应无放射性： 同时氘氚反应过程不产生放射性，即使14.1MeV 中子辐照到物质上所产生的放射性也是短寿命。 聚变反应的产物为氦，对环境没有污染，可以自 然排放。 4）聚变释放能量高： 相同质量的原料，聚变反应释放的能量是铀235裂变释能的4倍。 5）成本低： 1公斤浓缩铀的成本约为1.2万美元，而1公斤氘仅需300美

4、元。 3）对环境无污染： 万一发生事故，反应堆会自动冷却而停止反应，不会产生放射性污染物， 不会发生爆炸事故。 7）人工可控聚变： 6）安全可靠： 因此,可控聚变能的利用被认为是最终解决人类能源问题的有效手段之一。 目前进行的受控核聚变研究主要有两种途径： （1）惯性约束核聚变 （2）磁约束可控控核聚变 而托卡马克装置被认为最有可能实现受控磁约束核聚变的方式之一。（1）惯性约束聚变 惯性约束聚变(inertial confinement fusion)：是利用粒子的惯性作用来约束粒子本身，从而实现核聚变反应的一种方法。 其基本思想是：利用驱动器提供的能量使靶丸中的核聚变燃料(氘、氚)形成等离子

5、体，在这些等离子体粒子由于自身惯性作用还来不及向四周飞散的极短时间内，通过向心爆聚被压缩到高温、高密度状态，从而发生核聚变反应。由于这种核聚变是依靠等离子体粒子自身的惯性约束作用而实现的，因而称为惯性约束聚变。 惯性约束聚变 用特殊形态的磁场把氘、氚等轻原子核和自由电子组成的、处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限的体积内，使它受控制地发生大量的原子核聚变反应，释放出能量。 等离子体受磁约束 等离子体是不同于固体、液体和气体的物质第四态。物质由分子构成，分子由原子构成，原子由带正电的原子核和围绕它的、带负电的电子构成。当被加热到足够高的温度，外层电子摆脱原子核的束缚成为自由电子，电子离开原

6、子核，这个过程就叫做“电离”。这时，物质就变成了由带正电的原子核和带负电的电子组成的、一团均匀的浆糊，因此人们戏称它为“离子浆”，这些离子浆中正负电荷总量相等，因此它是近似电中性的，所以就叫等离子体。 等离子体(plasma)：又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，其运动主要受电磁力支配，并表现出显著的集体行为。 它广泛存在于宇宙中，等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。 等离子体 普通气体与等离子体的对比 托卡马克，是一种利用磁约束来实现可控核聚变的环形容器。 托卡马克是一种将磁力线弯曲为环形的磁

7、约束装置，最初是在上世纪70年代由苏联科学家发明。该装置由中央环形的真空室及外绕线圈组成。 它的名字 Tokamak来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit）、线圈(kotushka)。 托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。 其突出的特点是磁力线为螺旋形,螺旋磁场由环形的磁场BT及极向场BP组成。这种设计可以克服开环装置两端等离子体泄露的问题,同时极向场满足磁流体动力学平衡的要求,维持等离子体在径向和垂直方向上的平衡。 托卡马克内部结构（真空室）

8、 托卡马克内部结构托卡马克内部线圈分布示意图1950年代,英国和美国主要集中在装置的研究上，前苏联建造了世界上第一个托卡马克装置，其显著优点是通过强大的环向磁场增加了等离子体的稳定性。1960年代，限制器的发展与运用，将等离子体与真空室隔离开，使等离子体杂质减少，得到较为纯净的等离子体，同时等离子体电子温度升高。1980年代早期，建造了两个大型的托卡马克装置。其设计等离子体电流可达兆安量级，并能获得可观的氘氚热核反应能量。1991年，TFTR和JET采用氘氚分别获得了10MV和16MV的聚变功率输出，这在托卡马克装置的发展上具有里程碑的意义。2006年11月21日，七个成员国美国、欧盟、俄罗斯

9、、中国、日本、印度和韩国签署了建造ITER(国际热核聚变实验堆）合作协议。2006年9月28日，中国耗时8年、耗资2亿元人民币自主设计、自主建造而成的新一代热核聚变装置EAST首次成功完成放电实验，获得电流200千安、时间接近3秒的高温等离子体放电。EAST（东方超环）成为世界上第一个建成并真正运行的全超导非圆截面核聚变实验装置。 “东方超环”是由中国科技工作者独立设计制造的世界首个全超导托卡马克，于2007年3月通过国家验收，其三大科学目标是在未来15年内实现1兆安电流、1000秒放电、1亿度高参数等离子体的稳定运行，为国际热核聚变试验堆ITER和中国未来独立设计建设运行聚变堆奠定坚实的科学

10、和技术基础。 2016实验获得的稳定的102秒放电是时间最长的托卡马克高温偏滤器等离子体放电，处于国际领先水。对未来ITER的物理实验有重要的借鉴作用。 EAST 装置主机结构 EAST全超导托卡马克核聚变实验装置(1)关键是热核试验堆第一壁材料的选用 也就是面向高温等离子体的第一壁结构材料的选择，也称为面向等离子体材料（PFMs）。 目前，世界上已有的材料中还没有任何一种材料能胜任第一壁的工作要求。 （2）PFMs的性能要求 热核聚变装置中，聚变等离子体的边缘与PFMs有着强烈的冲刷作用，PFMs的主要功能是有效控制进入等离子体的杂质，有效传递辐射到材料表面的热量，保护非正常停堆时其它部件因

11、受等离子体轰击而损坏。（1）良好的导热性、抗热冲击性和高熔点（）低的溅射产额（）氢（氘、氚）再循环作用低（）低的放射性 所以钨及钨基材料具有高熔点、高热导率、低溅射产额和高自溅射阈值、低蒸气压和低氚滞留性能，成为最具应用前途的一类PFMs。 PFMs的选择是一项非常具有挑战性的工作，铍、碳基材料以及钨是目前最为热门的候选材料，下表给出了几种热门候选材料在600下的基本性能。几种PFMs在600的基本性能 铍、碳基材料以及钨是目前最为热门的PFMs的候选材料，除了上述热门的候选材料外，寻找和开发新的用于未来核聚变装置的PFMs也是一项重要的挑战和工作。 我国未来聚变发展战略应瞄准国际前沿，广泛利

12、用国际合作，夯实我国磁约束核聚变能源开发研究的坚实基础，加速人才培养，以现有中、大型托卡马克装置为依托，开展国际核聚变前沿课题研究，建成知名的磁约束聚变等离子体实验基地，探索未来稳定、高效、安全、实用的聚变工程堆的物理和工程技术基础问题。第一：（20152020）以建立近堆芯级稳态等离子体实验平台，吸收消化、发展与储备聚变工程实验堆关键技术，并设计、聚变工程实验堆关键部件预研等为近期目标。第二： (20202040 年)以建设、运行聚变工程实验堆，开展稳态、高效、安全聚变堆科学研究为中期目标。 第三：(20502060 年)以发展聚变电站，探索聚变商用电站的工程、安全、经济性为长远目标。1吕广宏，罗广南，李建刚磁约束核聚变托卡马克等离子体与壁相互作用研究进展J中国材料进展，20