新能源发电技术 电子课件 2.5 可控核聚变及其未来利用方式

2.5可控核聚变及其未来利用方式任课老师：于立军2019年03月目录Contents2.5.1认识核聚变反应2.5.2实现可控核聚变的条件2.5.3实现可控核聚变反应的方法2.5.4核聚变发电研究进展目录Contents2.5.1认识核聚变反应2.5.2实现可控核聚变的条件2.5.3实现可控核聚变反应的方法2.5.4核聚变发电研究进展5核聚变:质量较轻的原子在超高温下发生的原子核聚合作用，生成新的质量较重的原子核并且释放出巨大的能量。2.5.1认识核聚变热核聚变：大规模的核聚变反应通常需要在极高温条件下（约1亿℃以上）进行，称为热核聚变氘氦聚变示意图典型的热核聚变恒星内部2.5.1.1核聚变过程提供能量加入原料高温（约10万摄氏度）电离态更高温度（上亿度）核聚变放出大量能量利用2.5.1.1核聚变过程——电离化原子核原子核无法接触高温电离原子核原子核可以接触等离子态让电子摆脱原子核的束缚，使原子核可以自由运动并且裸露出来，让两个原子核可以接触。。2.5.1.1核聚变过程——聚变反应

原子核原子核库仑斥力

原子核发生接触或碰撞巨大的热能克服静电斥力极高的温度（约1亿度）赋予能量在强相互作用力作用下结合聚变赋予能量氘氚聚变（D-T反应）特点：该反应可以在较低温度下实现，在相同温度下，其反应速率比其他反应要大，反应释能也多，氘氘聚变（D-D反应）

（两反应概率相同）特点：利用时由于放出带电粒子质子，可以考虑采用磁流体技术直接发电的转换方式。2.5.1.2常见核聚变反应氘氦聚变特点：氘氦聚变反应性较低，电子密度较高，其聚变功率降低。反应过程中会附带氘氘反应，进而产生中子。氦-3聚变特点：不会产生中子，可以减轻设备材料的辐射损伤，降低放射性水平。2.5.1.2常见核聚变反应目录Contents2.5.1认识核聚变反应2.5.2实现可控核聚变的条件2.5.3实现可控核聚变的方法2.5.4核聚变发电研究进展5氢弹：采用原子弹产生的高温高压，使氢弹中的核聚变燃料依靠惯性挤压在一起，从而产生核聚变反应。在极短的时间内释放大量能量。2.5.2核聚变的对比可控核聚变：能够稳定可控地进行下去的核聚变反应，即不能使得反应物因为不能满足反应条件而导致反应停止，也不能让反应失去控制。2.5.2可控核聚变的条件前提足够的动能足够的原子反应，输出能量大于输入关键人类能量来源Z-Machine惯性约束核聚变设备点火温度足够能量核聚变反应需要在高温下进行（1亿℃以上）2.5.2可控核聚变的条件——极高的温度能量生成速率与能量损失速率的平衡克服静电斥力2.5.2可控核聚变——充分的约束

高温下的等离子体十分不稳定，被约束时间短。必须将高温等离子体维持相对足够长的时间，以便充分地发生聚变反应，释放出足够多的能量。等离子体密度影响必要约束时间劳逊判据对可控核聚变，气体密度n和约束时间τ的乘积nτ必须满足一定条件。对D-T聚变，nτ需大于1016s/cm3，而对D-D聚变，nτ需大于1014s/cm3。目录Contents2.5.1认识核聚变反应2.5.2实现可控核聚变的条件2.5.3实现可控核聚变的方法2.5.4核聚变发电研究进展52.5.3可控核聚变的问题及解决方案核聚变所属区域需要用特殊的方法来约束惯性约束磁约束约束2.5.3.1可控核聚变技术——惯性约束惯性约束聚变（ICF)：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。原理：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。激光约束装置2.5.3.1惯性约束——激光约束高压的氘氚混合气体大功率激光照射等离子体惯性作用下压缩并被加热发生核聚变反应靶丸中惯性核聚变内燃机靶丸注入爆炸室燃料注入气缸活塞压缩燃料混合气体消融等离子体飞散时的反作用力压缩燃料压缩到高温高密的燃料首先在芯部点火燃烧火花塞将压缩的燃料点燃燃料混合体以爆炸方式燃烧，驱动活塞和曲轴核反应能量被反应物带走2.5.3.1惯性约束核聚变的问题与展望问题：用激光或其他粒子束引起靶丸“聚爆”，与氢弹爆炸类似，是难以控制的。展望：可以用激光核聚变的方法有节制地引爆一个个微型“氢弹”得到连续的能量输出。激光照射靶件时，辐射空腔两端的光线情况示意图2.5.3.2可控核聚变技术——磁约束磁约束：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，释放出热量。两种磁约束核聚变装置2.5.3.2磁约束原理：核聚变的高温等离子体在磁场中的运动只能绕着磁力线做螺旋线运动，这样在磁力线的垂直方向上，带电粒子就被约束住了，可采用特殊形状的磁力线来约束高温等离子体，并与实际器壁相脱离。特点：约束时间长、装置大、高真空。2.5.3.2磁约束核聚变的装置为了使约束时间足够长，也为了能有足够多的燃料粒子进行聚变反应，磁约束装置要非常大。开端磁约束装置闭合按磁力线形状分类2.5.3.2磁约束核聚变——开端形态：磁镜开端形态：长圆柱两端的磁场特别地加强，中间部分的磁力线平直均匀，磁场强度为B0，两端磁场的强度,增加到Bm。两端磁力线还是开放的。磁镜：在开端形态磁场形态中，沿着磁力线运动的带电粒子向端部区域接近时，有可能会被加强了的磁场反射回来问题：端损失改善方案：多重的串级磁镜；使系统中部和两端出现静电电位差(静电约束)和温度差（热垒约束），以进一步约束中心的等离子体多重串级磁镜装置2.5.3.2磁约束核聚变——闭合形态：托卡马克装置闭合形态：把磁力线连同等离子体柱弯曲起来，使它的两端互相连接，成为一个环形，磁力线闭合起来。问题：组成等离子体的正负电荷分离而发生一些漂移运动解决方案：使磁力线来一个“旋转变换”。以简单的环形磁场B为基础，加上一个垂直方向的“极向磁场”Bp，即在环的小截面上的一个旋转式的磁场分量，来造成磁力线的旋转变换。托卡马克装置2.5.3.2托卡马克装置原理：利用超高真空中的等离子体电流携带等离子体，由欧姆加热线圈电流根据变压器原理建立和维持等离子体电流，用环向磁场来约束等离子体，用平衡磁场控制其平衡；由高频电磁波设备构成的辅助加热系统来驱动电流或加热等离子体。真空室注入气体产生少量离子产生一个强大的持续的环形等离子体电流产生一定的螺旋型磁场，约束其中等离子体灯丝的热电子或者微波等作用下外面线圈中的电流工作过程感应或者微波、中性束注入等方式托卡马克装置目录Contents2.5.1 认识核聚变反应2.5.2实现可控核聚变的条件2.5.3实现可控核聚变的方法2.5.4核聚变发电研究进展

2.5.4核聚变发电研究进展——核聚变优点

无污染不产生温室气体和放射性污染安全性好聚变反应本身是依靠高温来维持的，不会因的因堆芯失冷而融化或爆炸原料广泛从水中得到，地球水资源丰富经济效益原料来自水中，氘较易提取，成本较低2.5.4国际热核聚变反应堆ITERITER装置是由包括中国在内的多个国家共同建造。是人类受控核聚变研究的关键一步。ITER装置2.5.4中国的核聚变技术2017年7月4日，由中国科学院等离子体物理研究所研究建设的超导托卡马克实验装置EAST（见图）在全球首次实现了上百秒的稳态高约束运行模式，为人类开发利用核聚变清洁能源奠定了重要的技术基础。2.5.4