研究创新型实验创新班级

1、山东科技大学电气与自动化创新型实验名称：核裂变与核聚变发电综述学号： 201301100528： 1395422707 ：专业：电气工程及其自动化 2013 级 01 班一、摘要摘要:阐述了核能产生的机理、裂变核能发电的安全性、不可回转的趋势及今后电站堆的类型;并介绍了核聚变能发电的发展现状、安全性、前景及其潜力。:核能;发电;核聚变;反应堆二、核能概述核能是一种既让人类感到恐惧又难以离开的能源。在地球上的化石能源耗尽后,核能还能连续不断地向人类提供巨大的能量。尽管目前人们对继续使用核能的争论很多,但是核能在人类未来活动中的地位确实是其他能源难以替代的。许多国家的社会发展,人们的日常生活已离不

2、开核电,在法国。立陶宛、比利时、韩国、等国家中,核能电量已占其总发电量的 3680。1 核能概述 从中国古代的水、木、土、火、金 5 元素学说,的水、气、火、上 4 元素学说进展到物质世界由12 种夸克组成,人类对物质世界的组成进行了几千年的探索,做了不懈的努力。利用核反应堆中核裂变所出的热能进行发电的方式。它与火力发电极其相似。只是以核反应堆及蒸汽发生器来代替火力发电的锅炉，以核裂变能代替矿物的化学能。除沸水堆外（见轻水堆），其他类型的动力堆都是一回路的冷却剂利用核反应堆中核裂变所出的热能进行发电的方式。它与火力发电极其相似。只是以核反应堆及蒸汽发生器来代替火力发电的锅炉，以核裂变能代替矿物

3、的化学能。除沸水堆外（见轻水堆），其他类型的动力堆都是一回路的冷却剂通过堆心加热，在蒸汽发生器中将热量传给二回路或三回路的水，然后形成蒸汽推动汽轮发电机。沸水堆则是一回路的冷却剂通过堆心加热变成 70 个大气压左右的过饱和蒸汽，经汽水分离并干燥后直接推动汽轮发电机。核能发电利用铀进行核所产生的热，将水加热成高温高压，利用产生的水蒸气推动蒸汽轮机并带动发电机。核反应所放出的热量较燃烧化石所放出的能量要高很多（相差约百万倍），比较起来所以需要的体积比火力电厂少相当多。核能发电所使用的的铀 235 纯度只约占 3%4%，其馀皆为无法产生核的铀 238。，在蒸汽发生器中将热量传给二回路或三回路的水，然

4、后形成蒸汽推动汽轮发电机。沸水堆则是一回路的冷却剂通过堆心加热变成 70 个大气压左右的过饱和蒸汽，经汽水分离并干燥后直接推动汽轮发电机。核能发电利用铀进行核所产生的热，将水加热成高温高压，利用产生的水蒸气推动蒸汽轮机并带动发电机。核反应所放出的热量较燃烧化石所放出的能量要高很多（相差约百万倍），比较起来所以需要的体积比火力电厂少相当多。核能发电所使用的的铀 235 纯度只约占 3%4%，其馀皆为无法产生核的铀 238。三、核裂变发电核裂变，又称核，是指由重的原子核，主要是指铀核或钚核，成两个或多个质量较小的原子的一种核反应形式。、裂变核电站或核能发电厂的能量来源就是核裂变。其中铀裂变在核电厂

5、最常见，热中子轰击铀 235 原子后会放出2 到 4 个中子，中子再去撞击其它铀 235 原子，从而形成链式反应。世界上的每一种物质都处于不稳定状态，有时会或，变成另外的物质。物质无论是或，都会产生能量。由两个氢原子合为一个氦原子，就叫核聚变，就是依此而出巨大的能量。大家熟悉的则是用裂变原理造成的，目前的核电站也是利用核裂变而发电。核裂变虽然能产生巨大的能量，但远远比不上核聚变，裂变堆的核蕴藏极为有限，不仅产生强大的辐射，而且遗害千年的废料也很难处理，核聚变的辐射则少得多，核聚变的可以说是取之不尽，用之不竭。核聚变要在近亿度高温条件下进行，地球上时可以达到这个温度。用核聚变原理造出来的氢弹就是

6、靠先爆发一颗核裂变而产生的高热，来触发核聚变起燃器，使氢弹得以。但是，用核聚变只能氢弹，却不适用于核聚变发电，因为电厂不需要一次惊人的力，而需要缓缓的电能。关于核聚变的“点火”问题，激光技术的发展，使可控核聚变的“点火”难题有了解决的可能。目前，世界上最大激光输出功率达 100瓦，足以“点燃”核聚变。除激光外，利用额微波加热法，也可达到“点火”温度。世界上不少国家都在积极受控热核反应的技术，、俄罗斯、和西欧国家的已经取得了可喜的进展。年月日时分，物理学家们用欧洲联合环形聚变反应堆在 1.8秒种里再造了“”，首次实现了核聚变反应，温度高达 2108，为内部温度的 10 倍，产生了近 2 兆瓦的电

7、能，从而使人类多年来对于获得充足而无污染的核能的科学梦想向现实大大靠近了一步。我国自行设计和研制的最大的受控核聚变实验装置“中国环流器一号”，已在省乐山地区建成，并于 1984 年 9 月顺利启动，它标志着我国受控核聚变的实验，又有了新的发展和提高，并将为人类探求新能源事业做出贡献。美中两国科学家分别于 1993 年和 1994 年在这个领域的和实验中取得新成果。目前，美、英、俄、德、法、日等国都在竞相开发核聚变发电厂，科学家们估计，到 2025 年以后，核聚变发电厂才有可能投入商业运营。2050 年前后，受控核聚变发电将广泛造福人类。核聚变反应是氢的同位素氘、氚及惰性气体 3He（氦3），氘

8、和氚在地球上蕴藏极其丰富，据测，每 1 升海水中含 30 毫克氘，而 30 毫克氘聚变产生的能量相当于 300 升，这就是说，1 升海水可产生相当于 300 升的能量。一座100 万千瓦的核聚变电站，每年耗氘量只需 304 千克。氘的发热量相当于同等煤的 2000 万倍，天然存在于海水中的氘有 45 亿吨，把海水通过核聚变转化为能源，按目前世界能源消耗水平，可供人类用上亿年。锂是核聚变实现纯氘反应的过渡性辅助“”，地球上的锂足够用 1 万年2 万年，我国羌塘高原锂矿储量占世界的一半。科学家们发现，以 3He 为的核聚变反应比氘氚聚变更清洁，效益更高，而且与放射性的氘氚不同的是 3He 是一种惰

9、性气体，操作安全。获得过奖金的科学家、军备控制顾问1991 年曾撰文说，没有其它能源能像 3He 那样几乎无污染。下世纪初，人类将在月球上开采地球上不存在的 3He 矿藏，用于代替氚，从而使目前世界各地建造的实验性聚变反应可以攻克关键性的难关，使其走上成为可能。地球上并不存在天然的 3He，作为核的副产品，每年生产大约 20 千克，但一台实验性反应堆就需要至少 40 千克。月球上的钛矿中蕴藏着丰富的 3He 资源。月球表面的钛金属能吸收风刮来的 3He 粒子。据估计，月球诞生的 40亿，钛矿吸收了大约 100 万吨 3He，其能量相当于地球上有史以来所有开发矿物的 10 倍以上。1994 年宣

10、布了去月球开发 3He 的计划项目，比在 3He 聚变项目上的投资要多出 100 倍。1986 年起威斯康星州的就成了 3He中心。只要从月球上运回25 吨 3He，就可满足大约一年的能源需要。目前，全球每年的能源消费大约 1000万兆瓦，1990 年公布的数字，到 2050 年时将会猛增至 3000 万兆瓦，每年从月球上开采 1500 吨 3He，就能满足世界范围内对能源的需求。按上述开采量推算，月球上的 3He 至少可供地球上使用 700 年。但木星和土星上的 3He 几乎是取之不尽、用之不竭的。综上所述，可以看出，核聚变为人类摆脱能源展现了美好的前景。四、核聚变发电1、核聚变的原理核聚变

11、发电是 21 世纪正在中的重要技术，主要是把聚变加热到 1 亿度以上高温，让它产生核聚变，然后利用热能。核聚变发电的最终实现还需很长的时间。核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核，并出能量的过程。自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素氘与氚的聚变，这种反应在上已经持续了 50 亿年。可控核聚变俗称人造，因为的原理就是核聚变反应。（核聚变反应主要借助氢同位素。核聚变不会产生核裂变所出现的长期和高水平的核辐射，不产生核废料，当然也不产生温室气体，基本不污染环境）人们认识热核聚变是从氢弹开始的。科学家们希望发明一种装置，可以有效控制“氢弹”的过程，让能量持续稳定的输出。2、核聚变的优点利用

12、核能的最终目标是要实现受控核聚变。裂变时靠原子核而释出能量。聚变时则由较轻的原子核聚较重的原子核而释出能量。最常见的是由氢的同位素氘（读刀，又叫重氢）和氚（读川，又叫超重氢）聚较重的原子核如氦而释出能量。 核聚变较之核裂变有两个优点。一是地球上蕴藏的核聚变能远比核裂变能丰富得多。据测算，每升海水中含有 0.03 克氘，所以地球上仅在海水中就有 45吨氘。1 升海水中所含的氘，经过核聚变可提供相当于 300 升燃烧后出的能量。地球上蕴藏的核聚变能约为蕴藏的可进行核裂变元素所能释出的全部核裂变能的 1000 万倍，可以说是取之不竭的能源。至于氚，虽然自然界中不存在，但靠中子同锂作用可以产生，而海水

13、中也锂。第二个优点是既干净又安全。因为它不会产生污染环境的放射性物质，所以是干净的。同时受控核聚变反应可在稀薄的气体中持续地稳定进行，所以是安全的。 实现核聚变已有不少方法。最早的著名方法是型磁场约束法。它是利用通过强大电流所产生的强大磁场，把等离子体约束在很小范围内以实现上述三个条件。虽然在条件下已接近，但要达到工业应用还差得远。按照现有的技术水平，要建立型核聚变装置，需要几千亿。 另一种实现核聚变的方法是惯性约束法。惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体，装入直径约几毫米的小球内。从外面均匀射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸发，受它的反作用，球面内层向内挤压（反作用力是一

14、种惯性力，靠它使气体约束，所以称为惯性约束），就像喷气飞机气体往后喷而推动飞机前飞一样，小球内气体受挤压而压力升高，并伴随着温度的急剧升高。当温度达到所需要的点火温度（大概需要几十亿度）时，小球内气体便发生爆炸，并产生大量热能。这种过程时间很短，只有几个皮秒（1 皮等于 1分之一秒）。如每秒钟发生三四次这样的并且连续不断地进行下去，所出的能量就相当于百万千瓦级的发电站。 原理上虽然就这么简单，但是现有的激光束或粒子束所能达到的功率，离需要的还差几十倍、甚至几百倍，加上其他种种技术上的问题，使惯性约束核聚变仍是可望而不可及的。 尽管实现受控热核聚变仍有漫长艰难的路程需要征服，但其美好前景的巨大力

15、，正吸引着各国科学家在奋力攀登。3、具体实现方式3、1 TOAK装置的就是磁场，要产生磁场就要用线圈，就要通电，有线圈就有导线，有导线就有电阻。装置越接近实用就要越强的磁场，就要给导线通过越大的电流，这个时候，导线里的电阻就出现了，电阻使得线圈的效率降低，同时限制通过大的电流，不能产生足够的磁场。貌似走到了尽头。幸好，超导技术的发展使得峰回路转，只要把线圈做成超导体，理论上就可以解决大电流和损耗的问题，于是，使用超导线圈的装置就诞生了，这就是超。目前为止，世界上有 4 个国家有各自的大型超装置，法国的 ToreSupra，俄罗斯的 T-15，的 JT-60U，和中国的 EAST。除了 EAST

16、 以外，其他四个大概都只能叫“准超”，它们的水平线圈是超导的，垂直线圈则是常规的，因此还是会受到电阻的困扰。3、2 ITER2005 年 ITER 正式立项，地点在法国的卡申，基本设计不变，力争 2015 年前全面完成，造价 120 亿，欧盟出 40%，法、美各出 10%，剩下的想让别人平摊，韩国不干，力争让也出 10%，自己出 5%（最终美、日、俄、中、韩、印各出约 9%）。ITER 凑巧是拉丁语“道路”，可见大家对这个东西多大的希望。很有可能，她就是人类解决能源问题的“道路”。如果 ITER 能成功，下一步就是利用 ITER 的技术，设计和建造示范堆，到那时，离真正的商业核聚变发电就不远了

17、。但是 ITER 建设中，还有大量的技术问题需要解决，需要有一个原型可以参考，在此基础上，各国的先进超脱卡装置就成了设计 ITER 的蓝本。ITER 的研究远非一个装置，它还有很多难题需要攻克，战里说“各村有各村的高招”，的设备就远远走在了其他国家前面，他们在点火领域就很先进，不用高压变压器，直接使用高频电流制造核聚变点火的高温等离子体电流，就已经在试验成功了，大功率激光点火也接近完善。3、3 EASTEAST 位于中国合肥，是目前为止，超反应体部分，唯一能给 ITER 提供实验数据的装置，他的结构和应用的技术与规划中的 ITER 完全一样，没有的仅仅是换能部分。EAST 解决了几个重要问题：第一次采用了非圆型垂直截面，目的是在不增加环形直径的前提下增加反应体的体积，提高磁场效率。第一次全部采用了液氦无损耗的超导体系。液氦是很贵的，只有圈材料上下功夫，尽量少用液氦，同时让液氦可以循环使用，尽量减少损耗的系统才可能投入实用。此外，EAST 还是世界上第一个具有主动冷却结构的，它的第一壁是主动冷却的，连接的是一个大型冷却塔，它的冷却水可以保证在长时间运行后将反应产生的热量带走，维持系统的温度平衡，一方面是为真正实现稳定的受控聚变迈出的重要一步，另一方面也是工程化的重要标志冷却塔换成汽轮机是可以发电的。结合一些相关资料，世界这个领域普遍认为 EAST 将是第一个