核聚变研究简介

1、核能的现状与未来摘要：核能作为清洁能源，引起人们广泛关注。本文就核能的现状和未来进行了论述，并重点讲述了核聚变研究的进展。关键词：核能；核聚变；Present situation and future of nuclear power(College of power engineering，Chongqing University，Chongqing400044，China)Abstract：as a clean energy, Nuclear power is widely attention. This paper discussed the present and future of

2、nuclear power , and focused on the research progress of nuclear fusion. Keywords : Nuclear power; nuclear fusion; 0 引言能源短缺和环境恶化是21 世纪人类社会共同面临的两大难题, 此外, 我国能源还存在“ 人均资源占有量偏低”和“能源结构不合理”两大矛盾。“能源安全”已经成为我国的核心安全问题之一。考虑到煤、石油、天然气等化石能源最终将枯竭，而水力、太阳能、风能、潮汐和地热等能源受地域、环境和气候制约, 难以成为化石燃料的替代能源, 发展低碳经济和开发新的低碳的替代能源成为了本世

3、纪世界范围的重大课题。作为低碳能源，核能引起人们广泛关注。 核能分为核裂变能和核聚变能，重原子核( 如铀和钚) 分裂时释放的能量为核裂变能, 轻原子核( 如氘和氚) 聚合时释放的能量为核聚变能。1 核能的现状根据国际原子能机构(IAEA)的最新统计，截至2007年8月22日，全世界共有439台核电机组正在运行，另外还有30座反应堆系统正在建造中。核电总装机容量达到近372 GW，满足了世界约16和经合组织(OECD)国家25的电力需求。由于政治经济等诸多因素，当前西方国家的核电发展总体趋缓，核电在近期和远期的发展均集中在亚洲。截至2007年8月22日，在全世界30座在建反应堆中，有17座在亚洲

4、。在最近并人电网的35座反应堆中，有24座在亚洲。但这并不是说西方国家在核能利用上已停步不前。事实上他们在大力发展核电新技术、积极开发新一代核电站方面是非常活跃的，其中尤以美国为代表，不仅开发了第三代核电技术，而且还领导了第四代核电技术的研发。自从20世纪50年代核电站诞生以来，世界核电建设经历了三个阶段：实验示范阶段(1965年以前)、高速推广阶段(19661980年)和滞缓发展阶段(1981年至今)。开发了三代核反应堆，第一代反应堆以原型堆的形式在50、60年代投入应用；第二代反应堆以大型商业化核电站的形式在70年代出现并运行至今，包括美国、欧洲和日本的压水堆(PWR)与沸水堆(BWR)以

5、及俄罗斯的轻水堆(WWER)和加拿大开发的坎杜重水堆(CANDU)，第二代反应堆已经在经济和环境等方面验证了核电的安全性能和竞争力；第三代反应堆发展于9O年代，包括有美国研发的先进沸水堆(ABWR)、改进式先进压水堆(System 80+)和非能动先进压水堆(AP1000)，以及法国推出的欧洲先进压水(EPR)。第三代反应堆将安全作为首要参考因素，主要目标是进一步提高第二代反应堆的安全性。此外，第四代反应堆的研究工作也已经逐步展开，这一代反应堆是未来的革命性反应堆系统，反应堆和燃料循环都将有重大革新和发展。2 核能的未来核聚变物质在低温状态下是固态，随着温度的升高会出现液态、气态，气态的物质被

6、继续加热会出现等离子状态，即在几万 以上时，气体将全部发生电离，变成带正电的离子和带负电的自由电子。这种等离子体被约束在托卡马克装置的环形室腔体内不与腔壁接触，加热电流继续在这一环形室中流动，与电流方向一致的强大外磁场保证了等离子体的稳定。当等离子体被加热到l0 以上，满足 r>l0H时，就会发生轻原子核转为重原子核的核聚变反应，1个氘和1个氚聚变为1个氦核、放出1个中子(能量为14 MeV)，伴随着这一反应放出17.6 MeV的巨大能量。现在人类实现可控核聚变所使用的轻核只有氘与氚。核聚变反应堆是一种满足核聚变条件从而利用其能量的装置。从目前看实现核聚变有2种方法，一一种是使用托卡马克

7、装置实现，托卡马克是一环形装置，通过约束电磁波驱动，创造氘、氚实现聚变的环境和超高温，实现对聚变反应的控制；另一种方式是通过高能激光的方式实现。第一种方式已于20世纪90年代初实现，目前正在进行工程设计；第二种方式已接近突破的边缘。由于核聚变是在极高的温度下完成的，所以又常称其为热核反应。图1为氘一氚反应堆热核发电原理示意图图1 氘一氚反应堆热核发电原理示意图1 注入器；2 氚；3氘；4 水；5锂；6 等离子体；7夹层；8 磁线圈；9一蒸汽发生器；1O蒸汽；11汽轮机；12发电机； 13 电动率输出；14冷疑器；15 水；16 氚分离器3 核聚变发电的优势3.1 聚变燃料丰富由核聚变原理可知，

8、实现核聚变的条件是极其苛刻的。目前人类实现的第一代可控核聚变的燃料还只限于用氘与氚。氘在自然界中的含量是极其丰富的，海水里的氘占0015 ，地球上有海水137×10 km3，所以氘的总储量为2×10 t，所以可利用的核聚变燃料几乎是取之不尽的。这些氘通过核聚变释放的聚变能，可供人类在很高的消费水平下使用达50亿年。核聚变反应的另外一种元素氚，在自然界中实际上是不存在的。但它可以在普通反应堆中通过用中子照射锂而得到或在将来的热核反应堆中生产出来。用现代技术在全世界可以提取锂1 000万t，我国西藏地区具有世界上最丰富的锂资源。海洋中可以提取2 000亿t锂，热功率为300万k

9、w 的机组，每昼夜的用氚量只有05 kg，所以地球上的锂储量足以保障人类对聚变能源的应用。美国威斯康星大学的科学家小组早已提出了热核反应的其他建议。即应用反应式它是碳燃烧反应的倍。这一反应的基础上是，原苏联和美国对宇宙考察后，发现月球表面的土壤中含有大量的。经核算表明，按现代技术从月球上开采运回地球所耗费的能量仅在核聚变装置中放出能量的0.25 ，如果为燃料来保证美国的电力供应，每年只需宇宙飞船往返12次。月球上的储量至少为10t，约相当于t标准煤的能量。因此第一代核聚燃料是极其丰富的。3.2 聚变堆的安全性较高与核裂变相比，热核聚变不但资源无限易于获得，其安全性也是核裂变反应堆无法与之相比的

10、。热核反应堆如果在事故状态释能增加时，等离子体与放电室壁的相互作用强度则增大，由此进入等离子体的杂质随之增加。这样就会导致等离子体的温度下降使释能速度放慢以致停止聚变反应。热核反应装置的能量密度低，结构材料活化剩余释热水平不高，这些特点均有助于提高热核反应堆的安全性。在第一代以氘氚为燃料的热核反应堆中，电功率为1 GW 商用堆，其氚的含量约为10kg，大部分分散在再生材料、腔体材料和净化系统中，在热核堆最严重的事故状态下，是10 kg带有放射性的氚全部泄漏在反应堆大厅内的水中。但在通风等各种措施的作用下，几小时就可以恢复到辐射的安全水平(氚的半衰期是12.5 年，发出能量小于20MeV的电子，

11、其穿透能很低，对人类的危害是进入人体器官内部)。通过100 m高的烟囱排放氚水气，对应邻近地区的放射性剂量相当于2×10sva，这一水平远低于天然辐射本底(1 msva)，与国际放射性防护委员会推荐的最大容许剂量(对工作人员是50 sva，对居民是5 sva)相比，可以说是相当安全的。4 核聚变研究现状4.1 IT ER 计划及其深远影响为了开发利用核聚变能, 人类经历了半个多世纪的艰苦探索. 从20 世纪40 年代末起, 投入科学家及工程师上千人, 经费总计每年超过10 亿美元. 在这个过程中, 人们对开发聚变能源难度的认识也逐步深化。从20 世纪70 年代开始, 原苏联科学家提出

12、的托克马克途径逐渐显示出独特优势, 成为磁约束核聚变研究的主流。托克马克装置又称环流器, 等离子体被约束在磁笼中, 形成一个中空的面包圈,并有很强的环电流。随着各国不同规模的托克马克装置的建成、运行和实验, 托克马克显示了较为光明的前景。聚变等离子体温度达到亿度, 等离子体约束明显改善. 20 世纪90 年代, 欧洲、日本、美国大型托克马克装置取得突破性进展, 得到16MW聚变功率输出。聚变能的科学可行性基本得到验证。由于核聚变能源开发是人类共同面临的科学技术挑战, 一项以验证磁约束聚变能科学可行性和工程技术可行性为目标的国际热核实验堆( ITER) 计划已经正式启动, 该计划集成了国际受控核

13、聚变的主要科学和技术成果。 预计ITER 计划建设周期为10年, 装置建成后运行20年, 退役5年。ITER 计划将集成验证稳态燃烧等离子体科学问题和部分验证聚变电站工程技术问题。 IT ER 计划的实施, 标志着磁约束核聚变研究已经进入实际的能源开发阶段,其结果将决定人类能否迅速地、大规模地使用聚变能源, 从而影响人类从根本上解决能源问题的进程。ITER计划是1985年由美苏首脑倡议、国际原子能机构IAEA 支持的超大型国际合作项目, 旨在验证磁约束聚变能科学可行性和工程技术可行性。1988年欧、美、日、俄四方开始进行工程设计, 1998年完成工程设计。其后, 依据先进托卡马克运行模式的科学

14、基础, 重新对原设计进行改进和优化, 并于2001 年完成设计。改进后的设计称为ITER -FEAT ( fusion energy advanced Tokamak) , 即现在的ITER 计划, 图2给出了ITER 装置的剖面(示意)图。根据新的设计, IT ER 装置的造价由原来100亿美元降至50亿美元. 参与ITER 计划的7方于2006年11月21日签署了国际热核实验堆联合实施协定。 根据协定,IT ER 装置将建在法国南部的Cadarache中心(马赛以北约60公里处) , 预计2018 年完成建造并投入运行, 设计聚变功率输出5070万千瓦, 等离子体放电脉冲5001000s。

15、 除了等离子体指标外, 该计划还涉及大型超导磁体、等离子体加热及电流驱动、堆芯部件远距离操作维修、涉氚技术等聚变堆工程技术问题。 如果ITER 装置如期建成并达到预期目标,百万千瓦级的示范聚变电站可望在2030年前后开始建造, 并在2050年前后实现核聚变能源商用化。图2 IT ER 装置及我国承制的部件示意图IT ER 装置由多个系统和部件组合成, 主要系统有磁场线圈系统、真空室系统、真空室内部件( 屏蔽包层模块和偏滤器部件) 、低温恒温器、水冷系统、低温站、加热和电流驱动系统、供电系统、加料和抽气系统、氚系统、诊断系统等。 在开展设计研究的同时, 欧、美、日等国用了近16 年时间, 花费了

16、约15亿美元进行了ITER 部件的预研, 解决了大部分部件制造的关键技术和生产工艺问题, 其中包括中心螺管线圈、环向场线圈、真空室、包层模块、偏滤器、屏蔽包层模块遥控操纵系统、偏滤器遥控操纵系统等七大关键部件的攻关与试制。根据联合实施协定, 所有的部件将由7个参与方分别研制和提供, 并按规定时间节点提交安装。经过分解, ITER 装置的部件被拆分成22个采购包,97个子包。 除少量部件用可用现金直接从市场采购外, 大多数部件( 采购包) 需要进行研制并通过质量认证方能使用, 其中的涉核部件还必须通过法国原子能委员会的审查并发放许可证. 我国承担了12个子包(分属6个采购包) 的制造任务, 预计

17、研制费和加工费达40亿元人民币. 涉及到的部件( 材料) 为:磁体支撑、包层第一壁、包层屏蔽体、气体阀门箱和辉光放电清洗系统、修正场线圈、磁体引线、高压变电站设备、交直流转换器、环向场磁体线圈导体、极向场磁体线圈导体、传送车系统、诊断系统( 中子通量测量、光学测量、朗缪尔探针) 等。12 个子采购包分别标于图1两侧, 箭头所指为部件位置。氚的增殖、回收、纯化与再循环是未来聚变电站核心技术之一。 ITER 实验包层模块( 简称IT ERTBM) 项目的研究目标即验证氚增殖及氚的提取与纯化。目前, 各国IT ER- TBM的设计方案都是基于本国的聚变能源开发战略和示范堆的定义来确定的, 基本集中在

18、以下5种概念: ( 1) 氦冷/ 固态锂陶瓷氚增殖剂/ 铁素体马氏体钢结构材料; ( 2) 氦锂双冷(或氦单冷) / 液态锂铅增殖剂/ 铁素体钢马氏体钢结构材料; ( 3) 水冷/ 固态锂陶瓷氚增殖剂/ 铁素体钢马氏体钢结构材料; ( 4) 液态锂增殖剂自冷/ 钒基合金结构材料; ( 5) 熔盐增殖剂自冷。 根据国际聚变技术的发展趋势, 氦冷/ 锂陶瓷氚增殖剂/ 铁素体钢马氏体钢结构材料( HCSB) , 和氦锂双冷(或氦单冷) /液态锂铅增殖剂/ 铁素体钢马氏体钢结构材料( DCLL) , 是示范堆( DEMO) 包层首选的两种概念。图3和图4分别给出了示范堆两种包层概念设计的示意图。图3

19、H CSB 示范堆包层示意图图4 DCLL 示范堆包层示意图4.2 我国在核聚变研究中的进展我国的受控核聚变研究始于20 世纪50 年代中期, 核工业西南物理研究院和中国科学院等离子体物理所是从事磁约束核聚变研究的专业单位。中国科学技术大学、清华大学、中国科学院物理研究所、华中科技大学、中国原子能科学研究院、北京科技大学等单位也开展了相关研究工作。经过50余年的努力, 我国先后共建造了30多台核聚变实验装置。我国自行设计建造的中国环流器一号( H L-1) 装置于1984年在核工业西南物理研究院建成, 标志着我国核聚变研究由原理性探索进入到规模化实验研究阶段, 该装置获国家科技进步一等奖。19

20、95年又成功建造了中国环流器新一号( HL-1M) 装置, 该装置达到国际同类型同规模装置的先进水平。我国第一个具有偏滤器位形的大型托卡马克中国环流器二A( HL-2A)装置于2002年建成, 并成功投入实验运行, 等离子体电子温度达到5500万度. 中国科学院等离子体物理研究所先后建成了HT-6B、HT-6M铜导体托卡马克装置和HT-7、EAST ( 先进超导托卡马克实验装置) , 并进行了长脉冲放电实验, 其中EAST 也获得国家科技进步一等奖。中国科学技术大学、清华大学、中国科学院物理研究所、华中科技大学、北京科技大学等科研机构也在核聚变研究领域开展工作, 培养聚变人才。图5、图6、图7分别为中国环流器一号( H L-1)、中国环流器二号A( HL-2A)、中国超导托卡马克EAST。图5中国环流器一号( H L-1)图6中国环流器二号A( HL-2