核聚变知识概述

一、核聚变概述1.核聚变〔磁约束〕简史1) “史前时期“(1920-1942)对聚变能量的争论最早可以追溯到20世纪20年月。在那时，物理学家英国化学家阿斯顿〔Aston，1877～1945〕就已经测量了氦元素的“质量损失“现象：当时，阿斯顿正在剑桥卡文迪许试验室，利用他所创制的摄谱仪从事同位素的争论。试验中他觉察，氦-4质量比组成氦的4个氢原子质量之和少约1%左右。几乎在同一时期，卢瑟福也提出，能量足够大的轻核碰撞后，可能发生聚变反响。1920〔Eddington，SirArthurStanley1882～194〕1929〔deAtkinson，R.〕〔Houtersman，核聚变反响。1934年，澳大利亚物理学家奥利芬特〔Oliphant，MarcusLaurenceElwin1901～〕用氘轰击氘，生成一种具有放射性的同位素氚，第一个人工实现了D-D核聚变反响。1938年美国就开头进展将等离子气体约束在磁场中的试验。1942年，美国普渡大学的施莱伯〔Schreiber〕和金〔King〕又首次实现了D-T核反响。二战期间，美国洛斯阿拉莫斯试验室在研制原子弹的同时，也进展了早期核聚变反响的系统争论。二战完毕后，英国与前苏联也隐秘地开展了受控核聚变研究工作。〔194810195081582082948〕然而，实现这一目标却困难重重。仅以D-D反响为例，氘核带正电，发生聚变反响必需抑制库仑斥力，使两核接近到核子间距离，必需具备10keV以上的能量。假设用加速氘核，再使其轰击含氘的固体靶，加速氘核的绝大局部能量将损失在与电子碰撞的散射之中。还有人提出用两束高能氘核对撞实现聚变。这种想法很快被证明是行不通的，由于氘核在束中的平均自由程很大，两束氘核几乎是完全透亮的。要使氚束有足够的碰撞，氘核束的密度必需很高，然而密度极高的氘核束很难获得，即使成功地制备了这种高密度氘核束，在氘核的互撞中，不行避开的屡次库仑散射，将使偏转角90°，而使氘核偏转离开原有的束流散失殆尽。在这种状况下，人们很自然地想到了无规章的热运动。假设设法将一团氘核约束在一起，并加热使其到达足够的温度，核间频繁地碰撞，可望有核聚变发生。2)先行者的时代(1946-1958)1952年，美国用原子弹爆炸的方法产生高温，第一次实现了大量氘、氚材料的核聚变。但这种方法的效果是，在极短时间内使核聚变释放出巨大能量，产生猛烈爆炸，即氢弹爆炸。人类要和平利用核聚变，必需是可以受人工掌握的核聚变---人工受控核聚变。核聚变反响比较切实可行的掌握方法是，通过掌握核聚变燃料的参加速度及每一次的参加量，使核聚变反响按肯定的规模连续或有节奏地进展。因此，核聚变装置中的气体密度要很低，只能相当于常温常压下气体密度的几万分之一。另外，对能量的约束要有足够长的时间。二战末期，前苏联和美、英各国曾出于军事上的考虑，始终在相互保密的状况下开展对核聚变的争论。几千万、几亿摄氏度高温的聚变物质装在什么容器里一直是困扰人们的难题，但不约而同都想到了利用磁场，尝试各种磁场约束形式。二战完毕后，爆发了核争论的国际性浪潮。1946年，发生一个著名的大事：伦敦大学的Thomson和Blackman申请了一个聚变反响堆的专利施总体上说过于乐观，但已经提出了一个环型真空室，以及由射频波产生的电流，而这正是现代的托卡马克装置的两个重要基石。〔上图，1946ThomsonBlackman申请的“反响堆“专利〕1946Thoneman所的磁约束装置。装置由金属和玻璃制成的圆环,Clarendon试验室50年月，冷战期德国和日本在1955年稍晚的时候也参加了进来。3)(1958-1968)经过了二十多年的努力，远未到达当时的乐观期望，理论上估量的等离子体约束时间与试验结果相差甚远。人们开头生疏到核聚变问题的简单和争论的困难。在这种状况下，苏、美等国感到保密不利于争论的进展，只有开展国际学术沟通，才能推动核聚变的深入争论。另外，磁约束核聚变与热核武器在科学技术上没有重大的重叠，而且其商业应用的竞争为时尚早。1958年是受控核聚变历史上的一个重要转折点“和平利用原子能“会议，会议上揭开了隐秘争论的面纱,各个国家报告了他们所工作的磁场位形：环型脉冲，仿星器，磁镜，Z和箍束。此时，争论工作为磁约束装奠定了根底，如同前苏联物理学家Artsimovitch〔阿奇莫维奇〕在会议闭幕时的致词：“曙光消灭“。物理学家们同时也意识到由于等离子体不稳定性，磁场约束损失等等，把握核聚变技术成为一件很困难的事情。物理学家E.Teller说：“我想(受控核聚变)或许能做到不认为在这个世纪它会有实际的重要性“。自这次会议后，争论重点转向高温等离子体的根底问题。4) 托卡马克时代(1968－)50〔Tamm，IgorYavgenyevich1895～1971〕就曾提出用环形强磁场约束高温等离子体的设想。他认为，把强电流产生的极向磁场与环形磁场相结合，可望实现高温等离子体的磁约束。阿奇莫维受到这一思想的启发，莫斯科库尔恰托夫争论所的前苏联物理学家阿奇莫维奇〔ArtisimovichLevAndreevich1909～1973〕开头了这一装置的争论。1954年，第一个托卡马克装置在前苏联库尔恰托夫原子能争论所建成。他们在环形陶瓷真空室外套有多匝线圈，利用电容器放电，使真空室形成环形磁场。与此同时，用变压器放电，使等离子体电流产生极向磁场。后来，利用不锈钢真空室代替陶瓷真空室，又改进了线圈的工艺，增加了匝数，改进了磁场位形，最终成功地建成了托卡马克装置。托卡马克这一名称由阿奇莫维奇命名。托卡马克TOKAMAK俄语个词缩写组成〔环形toroidal、真空室kmera)、磁magnit、线圈kotushka)。〔上图，莫斯科Kurchatov争论所的T1Tokamak装置〕1968年，Kurchatov〔库尔恰托夫〕争论所的科学家公布了托卡马克〔T1〕的试验结果，其结果远超其它装置的参数指标。1969年一个英国小组前往莫斯科，测T3托卡马克装置的温度，确定了他们的成果。此时冷战正酣，这一里程碑式的大事开启了其他国家的托卡马克时代。他们纷纷将自己试验室的磁约束装置转换为磁约束装置。〔美国普林斯顿大学由仿星器-C改建成的STTokamak，美国橡树岭国家试验室的奥罗兹争论所的TFRTokama，英国卡拉姆试验室的克利奥西德马克斯-PulsatorTokamak〕但人们很快觉察，约束等离子体的磁场，虽然不怕高温，但宏观稳定性不好。要比人们预想的困难大得多。另外，等离子体在加热过程中能量也不断损失。从二十世纪六十年月中到七十年月，各国先后建成了很多试验装置，核聚变争论进入了一个的高潮期，人们渐渐了解影响磁约束及造成能量损失的各种机理，摸索出抑制这种不稳定性及能量损失的对策。在磁约束争论方向上，托卡马克类型的磁约束争论领先于其它途径，在技术上最成熟，进展也最快。在托卡马克装置上努力提高能量增益因子，即提高输出功率与输入功率之比始终是核聚变争论的重点目标之一。到1970年，前苏联在托卡马克装置T－3上，利用强纵场抑制等离子体的宏观不稳定性，得到了高标综合参数〔离子、电子温度 0.8Kev，等离子体密度3X10*13/cm*3,能量约束时间20ms〕有可以觉察到的核聚变能量输出，能量增益因子Q值为十亿分之一，消退了世界上对核聚变争论的悲观心情。从二十世纪七十年月末开头，美、欧、日、苏开头建筑四个大型托卡马克：美国的托卡马克聚变试验反响器TFT〔Theokamakusionesteacto；欧洲建在英国的欧洲联合环JE〔JointEuropeanToru；日本JT〔JapaneseTorus〕－60；原苏联T－20〔后来因经费及技术缘由改为较小的T－15,承受超导磁体，没有正常运行。这四个装置在磁约束聚变争论中做出了里程碑式的奉献。其中，有的装置把能量增益因子Q值提高到0.2,比十年前增加了两亿倍。在和平利用核聚变的不懈探究中，理论争论和试验技术上遇到了一个又一个难题，进一步开展广泛国际合作是加速实现核聚变能利用的明智选择。ITER〔InternationalTorusExperimentReactor〕打算1985年里根总统和前苏联戈尔巴乔夫总统，在一次首脑会议上建议开展一个核聚变争论的国际合作打算，要求“在核聚变能方面进展最广泛的切实可行的后来戈尔巴乔夫、里根和法国总统密特朗又进展了几次高层会晤，支持在国际原子能机构〔IAEA〕主持下，进展国际热核试验堆〔ITER〕概念设计和关心争论开发方面的合作。这是当时也是当前开展核聚变争论的最重大的国际科学和技术合作工程工程。1987年春，IAEA总干事邀请欧共体、日本、美国和前苏联的代表在维也纳〔IAEA总部所在地〕四方合作设计建筑国际热核试验堆。国际热核试验堆是一个基于托卡马克方案的工程，主要目的是实现氘－氚燃料点火并持续燃烧稳定燃烧证明利用核聚变发电是安全的，也不污染环境；另外也进展核聚变工艺技术一体化试验。当时的设定指标：环形管的大环半径8米，管的半径3米，估量将产生热功率150万千瓦、等离2400万安培16分钟。当时的时间表：20252023年建成，打算投资达80亿美元。2025ITER2040年前投入运行。2050年以后有望开发商用核聚变堆。在国际原子能机构的支持下，合作四方在1988年－1990年期间完成了国际热核试验堆的概念设计，1991年转入工程设计方负担，但随着前苏联的解体，合作四方中的苏方由俄罗斯接替，这一打算的进展受到了很大影响。美、欧、日、俄在参与ITER工作同时，还安排了自己的核聚变争论。欧共体JETTore－Supra〔法国超级大环〕打算，美国利用大型托卡马克聚变试验反响器DIII－D及TFTR，日本利用JT－60JT－60U聚变试验反响器，都深入开展了各自的试验争论。ITERITER受挫：美国于上世纪90年月缩减磁约束聚变争论经费，1997年美国甚至停顿了核聚变反响的争论。1998年7月美国宣布退出国际热核试验反响堆打算。把核聚变争论从围绕国际热核试验反响堆的技术争论转到根底科学争论上来。ITER打算，但是，又不甘心被甩在外面，仍设法派观看员参与反响堆打算会议。ITER，但没有经济实力，显得力不从心，只有欧共体和日本全力支持〔欧洲，尤其是日本，都缺乏能源资源，迫切需要开发能源。ITERITER目标缩减：经过九年的努力，2023年6月最终圆满完成了ITER设计初的工程投资和建筑规模，打算投资削减到32亿美元，环形管的大环半径缩小ITER选址大战到6米，管道半径缩小到2.15米，参数降低为等离子体电流2200万安培，燃烧7分钟〔16秒。ITER选址大战2023年11月，为共同实施国际热核聚变试验反响堆，参与四方在加拿大召开了政府间第一次磋商会。2023年1月23日在东京召开了其次次政府间磋商会，争论了协议草案、选址程序、急需选购的设备及选购打算，以及实施的过渡安排等，另外，还确定了国际热核聚变试验反响堆实施的法人实体。选址争吵：法国、日本力争把ITER建在本国。日本表示，假设装置建在日本，日本情愿出70％的经费。期望美国能重参加ITER打算，并表示欢送中国参与ITER打算。中国于2023年1月初正式宣布参与协商，其后美国在1月末由布什总统宣布重参与ITER韩国在2023年被承受参与ITER2023年6ITER建在法国核技术争论中心(Cadarache)，从而完毕〔中国支持定址法国。印度于2023年参加ITER最终，七个成员国202311月签定ITER的国际协定。〔30多个国家及地区开展了核聚变争论，运行的托卡马克装置至〕中国磁约束核聚变争论进展1956年制定的“十二年科学规划”中打算开展核聚变争论。1958〔现原子能科学争论院〕开头磁约束聚变的争论。中国科学院物理争论所，以及电工争论所、北京大学、复旦大学相继开展磁约束聚变争论。第一届全国电工会议在北京召开。1962〔卢鹤绂、周同庆、许国保。黑龙江原子核争论所建成一台小型角向箍缩装置。1965年，东北技术物理争论所〔原黑龙江原子核争论所〕与原子能争论所十四室合并，迁往四川乐山〔三线，下面注解，称西南585所。注解：1958年中苏决裂后，196482日北部湾大事爆发，美国驱除舰马克多斯号与越南海军舰发生激战。中心打算三线建设一线：当时经济最兴旺且处于国防前线的〔指东南沿海及东北、疆等地区〕一线：当时经济最兴旺且处于国防前线的〔指东南沿海及东北、疆等地区〕二线：安徽、江西等三线：四川〔含今重庆〕、河北、山西、河南、湖北、湖南、广西、云南、贵州、陕西、青海、甘肃和宁夏13个省及自治区，他们全部位于中国的中西部地区。1969年，中科院物理所建成一台角向箍缩装置，并得到聚变中子。1971585所的仿星器《凌云》建成。1974年，中科院物理所和电工所成功研制CT-6托卡马克。中国科学技术大学建立等离子体专业。1975年，中科院在安徽合肥筹建等离子体物理争论所。585303建成。1980〕创刊，1981年，中国核学会核聚变与等离子体物理学会成立。徐家鸾、金尚宪《等离子体物理学》出版。1982年，项志遴、俞昌旋《高温等离子体诊断技术》出版。1984年，核工业西南物理争论院研制成功HL-1环流器装置。同年，中科院合肥等离子体所研制成功HT-6M托卡马克装置。H：Hefei；KT-5托卡马克装置及其初步试验；〔其后进展改造K－5，〔199，〕1988年，马腾才、胡希伟、陈银华《等离子体物理原理》出版。1991年，中科院等离子体物理所建成超导托卡马克HT-7。中国成为继俄、法、日之后第四个拥有超导托卡马克装置的国家。1994年，核工业西南物理争论院将HL-1HL-1M。199412953HT-7首次工程联调；19941228HT-7得到首次等离子体；1995HT-71999年，石秉仁《磁约束聚变：原理和实践》出版。英文刊物《PlasmaScience&Technology》创刊。2023HL-2A装置。中科院物理所和清华大学SUNIST。华中科技大学TEXT装置〔$3000,免费〕引进国内。2023329日HT-7超过一分钟63.95〔入选当年中国十大科技进展；20231ITER协商；202310HT-7UEAST〔EAST“Experimental”、先进“Advanced”、超导“Superconducting”、托卡马克“Tokamak”四个单词首字母拼写而成〕2023年，HT-7突破百秒，到达２４０秒；2023年成功实现了306稳态条件下等离子体物理争论；202313胡EAST2023315HT-7100000〔10〕次放电；2023321HT-7400〔640〕的高温等离子体放电，电子温度超过10000.5×1019m-3。在关断欧姆加热场的条件下，实现了完全由低杂波驱动等。〔2023年3月24日：CCTV晚间闻报道〕〔ToreSuper，超级大环的纪录〕2023117EastHmode100马克高温偏滤器等离子体放电，处于国际领先水平。重要价值的成果，期盼着东方超环在更短的时间内做出更大的奉献。国内争论聚变〔试验〕争论单位〔大连理工大学，东华大学等〕聚变反响、种类、特点、问题磁约束聚变根本原理――磁约束问题――聚变反响是带电粒子〔原子核〕间的核反响；聚变反响要求粒子充分靠近；在自然界中的等离子体，约束常是自然具有的:例如太阳和其它恒星，凭借自身巨大的质量，利用引力即可把等离子体约束在一起；33住高温等离子体；人们很自然地想到了磁约束的方法。磁场对等离子体的作用包括三种：带电粒子所受磁场的洛仑兹力――把带电粒子约束在磁力线的四周；下，氘离子的拉莫盘旋半4mm0.07mm。磁场对等离子体束的磁压力――磁压力来自磁场的不均匀性，使等离子体整体受到指向内部的作用力，从而抵消等离子体的热膨胀；〔有相关理论推导，不讲授〕等离子体电流所受磁场的箍缩力〔如同向电流之间的作用力〕――箍缩力将使等离子体电流束沿径向被箍缩；磁约束装置的研制关键在于查找到适宜的磁场位形。――粒子加热•动能•聚变反响问题――带电粒子相互靠近时受库仑排斥力；，需要粒子有很大的动能去抑制库仑排斥力；两个高能带电粒子之间〔足够的动能可以使带电粒子抑制库仑位垒而充分接近到核力起作用的范围隧道效应产生聚变反响的几率快速加大。反响截面---在低动能区，聚变反响开头时随粒子能量的加大而快速增大，到达峰值后随能量的进一步加大而降低〔缘由：离子速度太大，两核在核力起作用的范围内停留的时间缩短〕。主要聚变反响种类DD→T(1.01MeV) p(3.03MeV)〔H＋〕D+D→D+T→D+3He→

3He(0.82MeV) + n(2.45MeV)4He(3.52MeV) + n(14.06MeV)〔108摄氏度，410Kev〕4He(3.67MeV)+ p(14.67MeV)〔H＋〕〔单位原子质量放出的能量〕为什么是〔or选择〕D、T反响？-----〔单位原子质量放出的能量〕[主要聚变反响产率离子能量〔左图〕离子温度〔麦克斯韦分布，右图〕的变化：在低离子温度下，D-T反响速率高，简洁“点火”]主要核聚变反响比较〔有对应图〕――D+T反响―――D+T→――D+T反响―――

4He(3.52MeV) + n(14.06MeV)优点：放出能量大，对应的反响离子温度低〔聚变温度低〕；缺点1：但T在自然界不存在，需要人工生产；D的人工生产：在聚变堆包层中的由LI＋中子〔6Li＋nT+＋4.8MeV〕〔承受氟化锂、碳酸锂或锂镁合金做靶材〕缺点2：中子携带能量高，对壁材料有损害。〔在核聚变中，中子携带能量占反响总能的比例〕――D+D―――D+D→T(1.01MeV)+p(3.03MeV)〔H＋〕――D+D―――D+D→

3He(0.82MeV) + n(2.45MeV)聚变反响产生的能量小，反响离子温度高。也有中子带来的包层材料损伤问题；-――D＋He3

――D+3He→

He(3.67MeV)+ p(14.67MeV)〔H＋〕4两个反响产物都是带电粒子，其对应优点为：4第一，不存在中子引起的次级核反响，因此较干净；其次，假设承受磁约束，带电粒子都被约束在磁场内，可以用于加热冷燃料，而且，存在将聚变能量直接转换为电能的可能性。缺点：3D＋He反响截面比D+T反响截面小，而且要求更高的离子能量，D+T堆可以在离3子温度为10keV或更高时运行；D＋He堆则要求离子温度在50keV以上。3这要求D＋He聚变堆要有更好的加热方法，要能约束更高比压的等离子体。目前托卡马克不能用于氘-氦-3堆；假设将来制造更好的强场磁体〔临界场20T更高的约束磁场，也可能建立托卡马克型D＋He――――――――――――――――――――――――――――――――――附：自然界的氦-3氦-3500吨的可采量，它是太阳风中的氦-3地球上化石燃料的能量总量的几百倍。现在我国正在乐观实行探月打算，也是为今后可能开采氦-3资源做预备。――――――――――――――――――――――――――――――――――能量平衡、关系、判据〔 有很多概念，需要结合条件理解〕托卡马克等离子体的能量平衡：由馈入能量、等离子体损失能量打算；对于稳态等离子体〔不随时间变化间变化，此时馈入能量等于损失能量。等离子体的馈入能量、损失能量馈入能量-----与低温plasma不同---有来源于聚变反响的局部对等离子体加热而言，馈入能量功率Pfusion和外部加热Pexternal；外部加热功率：指变压器涡旋电场加热功率，波加热，中性注入加热能量聚变功率源于Pfusion中子、α粒子〔Pfusion＝Pneutral＋Pα〕，虽然二者携带的能量均可以用于加热等离子体，但途径不同；-----核反响能量的转化------中子的能量转化中子不带电，不受磁场约束，能量高〔在D、T聚变反响中，中子携带能量为14.1MeV〕、速度大，快速逃出托卡马克芯部，与其他粒子的碰撞传能效率低，携带的能量不能直接用于加热等离子体；中子能量利用方法：中子能量利用方法：平均说，每个核过程将放出18.9MeV的能量〔热〕，这些热能在引出后加上从聚变反响室中最终释出的3.5MeV〔α离子携带〕能量，共有22.4MeV的能量，此能量可以通过热能转化〔蒸汽发电机〕为电能；再将电能用于加热等离子体的各种功率源；只要热能转换的电功率大于用于加热等离子体所需的电功率堆就可以获得净能量输出。α粒子的能量转化携带聚变能的α粒子为带电离子，能被磁场约束；对氘氚等离子体来说，α粒子是高能成分〔在D、T聚变反响中，α粒携带能量为3.5MeV〕；在α粒子在逸出等离子体约束区以前，可以将其携带的相当一局部能量传递给氘氚等离子体，直接加热等离子体。等离子体能量损失――在托卡马克磁场中，由于各种因素的作用，粒子携带能量逃向壁，产生能量损失〔输运损失〕；――电子与离子碰撞，在减速过程中产生韧致辐射；同时电子在盘旋过程中会产生盘旋辐射；――壁杂质进入等离子体，产生线〔线谱〕辐射，由此损失能量；前两种能量损失占主要比例；----如何衡量能量损失快慢？：能量约束时间 ：W时，此时去除外部加热功率〔P

〕，能量损失externaldW/dt说明白磁约束质量。由此定义特征时间――能量约束时间〔energyEconfinementtime〕，EW/E=Plosses馈入能量的外部加热能量局部当利用聚变能加热等离子体，还缺乏够补偿等离子体的能量损失时，需要外部等离子体加热源。自持聚变反响将等离子体加热至高温，产生聚变反响。在关断外部加热的条件下，此时由α自持聚变反响。这种自持聚变反响与蜡烛燃烧一样〔无需外部能量〕，自持聚变反响也称为聚变点火〔ignition〕。假设持续的聚变需要外部加热，就是非自持聚变。能量得失相当PP当 PPfusion

〔指外部加热能量〕时，称为得失相当〔Break-even〕。external要到达能量得失相当，并不肯定需要自持聚变，缘由〔前面已述，再述如下〕：[快中子进入包层后，在增殖氚的同时，还产生很多核反响，总体说是放能反响。[快中子进入包层后，在增殖氚的同时，还产生很多核反响，总体说是放能反响。室中最终释出的3.5MeV能量，共有22.4MeV的能量，只要由此转换的电功率大于用于加热等离子体所需的电功率，那么，聚变堆就可以获得净能量输出。]在非自持燃烧条件下，获得净能量输出不是好的运行方式，缘由：一方面，这种状况下能量转换效率低；其次，需要对等离子体进展不连续的加热，意味着要有稳态的高功率加热技术和设备。聚变堆能量增益因子QQ=Pfusion/Pexternal；当Q<1时，说明聚变放出的能量小于外部加热能量。当Q>1时，说明聚变放出的能量大于外部加热能量。附：――――――――――――――――――――――――――附：目前，绝大多数托卡马克装置的设计目的是试验争论，不是建堆发电，运行于Q<1的区域；放电承受D燃料，供给具有D-D反响的争论托卡马克环境；只有两个装置D-T反响，TFTR、JET；JET的D-T聚变功率创世界记录〔16M，对应的Q＝0.64;〔JETITER的缘由之一〕――――――――――――――――――――――――――Lawsoncriterion自持燃烧判据，英国科学家，1957年)当粒子加热、外部加热功率与等离子体损失功率平衡时，即Palpha

+Pexternal

=Plosses

=W/E等离子体储能W主要为热能。--------------------------------------------------------------------------------------〔Pexternal=Plosses=W/E〕--------------------------------------------------------------------------------------在建堆发电条件下，PexternalPfusion/QEPalpha+Pfusion/Q=W/E等离子体热能W、由聚变能转化的外部加热功率Pfusion/均与等离子体密度、温度有关：D-T等离子体〔电子、离子〕的热能为〔K为波尔兹曼常数〕并假设：等离子体由50%氘、50%氚组成，等离