聚变堆(内部精品资料).

第八章：聚变反应堆一、聚变反应原理二、聚变资源及特点三、受控热核反应四、聚变研究历史五、聚变装置六、ITERProject一、聚变反应原理1、聚变原理具有中等数量核子数的原子核，其每个核子的平均质量较小。当轻核聚变时所产生的中间核的核子平均质量变小，其质量亏损转变为动能。2、聚变反应D+T4He(3.52MeV)+n(14.1MeV)D+D3He(0.82)+n(2.45)D+3He4He(3.66)+p(14.6)D+DT(1.01)+p(3.02)D－T反应是最可能得到实际应用的反应。D－D反应是最终想要到达的反应。（丰富，清洁，难度大）3、生产氚反应6Li+n4He+T+4.78MeV氚是氢的同位素，它是放射性元素，半衰期为12.3a,在自然界很少，必须人工生产。生产氚的方法是：在聚变堆包层中装入锂，利用D－T反应生成的高能中子与锂反应生成氚。二、聚变资源及特点1、资源丰富氘是氢的一种同位素，天然氢中含氘0.0153%,氘在水中存在。1L水中含氘相当于300L汽油的能量。海洋3m厚的水层含氘可供世界5000万年能源需要。取之不尽用之不竭。可从水中提起氘。核材料等效TW.a铀-235250铀-238，钍-232104氘（D）2×1011Li（矿石中）（T）6×104Li（海水中）（T）6×108(3000万年，3m）裂变、聚变资源2、安全能源热核等离子条件产生困难，但破坏容易，任何事故都能使等离子体迅速冷却，聚变堆迅速停堆。堆内温度高（1－2）×108K，但能量低，小于1GJ,事故释放能量小。聚变堆爆炸的危险比常规核电站低。3、清洁能源无碳氧化物、氮氧化物排放。无长寿命放射性产物。高能中子会使结构材料产生长寿命放射性废物（半衰期为100年左右），但可研制新的结构材料。不是本身问题。氚具有放射性，半衰期为12.3年。氘没有放射性。4、用途广泛发电产生高能中子，是裂变堆的4倍。同位素生产：氚，钴60；裂变材料（铀238钚239，钍232铀233）。处理裂变电站长寿命废物。分解水生产氢（合成燃料）；稀有金属。宇宙空间航行器推动。三、受控热核反应受控热核聚变条件：高温＋约束原子核带正电，互相排斥，不容易达到足以发生核反应的距离（10-15m)提高核子速度，克服电荷排斥力，核子理论能量为290keV。实际：T10keV,=108K高温：正离子＋负离子＝等离子体（Plasma）1、等离子燃烧条件（D-T)三重积分＝温度×密度×约束时间＝T（1）能量得失相当条件（基本）：等离子体中聚变反应产生的能量＝注入等离子体的能量。当T＝10keV时，T＝6.2×1020(keVm-3.s)聚变反应所产生的能量回收＝维持热核工况所须能量。（考虑损失）。当T＝10keV时，T＝1.24×1021(keVm-3.s)D-D反应：当T＝50keV，T＝2.5×1023(keVm-3.s)（2）劳逊（Lawson)判据（现实）核聚变产生并约束在等离子体中的高能粒子所携带的能量等于由于辐射、传导及对流从等离子体中损失的能量。满足条件，则反应自持。当T＝10keV时，T＝3.1×1021(keVm-3.s)（3）点火条件（运行）2、等离子燃烧条件（实际)假设：等离子体温度分布均匀；没有杂质。实际：等离子体中部温度高，边缘温度低。杂质来源：一是等离子体与第一壁面相互作用，使壁面产生杂质进入等离子体；二是等离子体燃烧所产生的灰－热粒子。杂质使等离子体辐射损失增多，而且稀释等离子体，使聚变反应数减少，甚至停堆。3、约束（1）磁约束直线磁约束等离子体装置，－端损失；约束时间短。磁境，克服端损失。约束时间短。托卡马克（俄语Tokamak)-环形磁室它是当今取得聚变等离子体参数最好的一类装置，等离子体参数已经很接近能量得失相当的水平。目前世界最大托卡马克实验装置（JET)（2）惯性约束惯性约束核聚变是使用激光或粒子束轰击固体D－T靶丸（半径为r），使它发生内暴，并压缩到高密度状态，达到所须聚变温度时，发生聚变。惯性约束允许等离子体膨胀，但由于惯性，约束可维持一段暂短的时间。点火判据：质量密度×半径＝rD－T反应，T＝15keV，则，r＝3g/cm2=0.2g/cm3,r=15cm,Q=4.8*1012J。现代激光器能量105J量级。热转化率5％。如何解决：增加密度3个、能量要求降低9个量级。四、聚变研究1、历史溯源1919年英国物理学家Aston发现轻核的聚变可释放能量；Rutherford发现轻核以高能碰撞可发生核反应。十几年后，理论分析提出太阳内氢原子在几千万度高温下聚变成氦的假设。二战期间美、苏研究聚变：美：费米(Fermi),泰勒（Teller);英：汤姆逊（Thomson)等提出箍缩效应约束等离子体。2、保密时期二战后，氢弹爆炸。得到鼓舞。聚变军、民应用广泛。美、英，苏开始大量投入。美国早期聚变计划－雪伍德（Sherword）工程。磁约束聚变途径：仿星器，磁境和箍缩。研究单位：罗斯阿拉姆斯LAB.，劳伦斯LAB.。苏联库尔恰托夫研究所提出托卡马克Tokamak（环形磁室），性能领先。3、解密和以后时期近二十年的努力目标仍难以实现；保密阻碍发展，研究工作停滞不前；急于建成聚变堆不切合实际。科学家要求交流。1958年日内瓦第二次和平利用原子能会议达成协议：美、英，苏公开聚变研究计划。日本成立聚变分会。62年起每3年举行一次国际等离子及受控核聚变会。难题：等离子体不稳定，约束时间短。68年第三次会议。阿齐莫维奇在T-3达到：电子温度1kev,离子温度0.5keV,T=1018kevm-3.s60年代末各国开始Tokamak研究热潮，建成九个装置。美（4），俄,法,日,英,德(1×5）。3kev温度，10毫秒约束。发现磁场振荡现象。70年代第二代Tokamak装置建成。美,俄,日,德(1×4）。7kev温度，50毫秒约束。聚变堆概念开始设计。80年代从研究聚变功率可获得条件移向经济上有利的聚变堆优化问题。TokamakTFTR(美国普林斯顿）,JET（日本京都）,3.7MA等离子体电流，持续几秒。2×1020m-3.s.keV三重乘积。离点火只差20倍。非Tokamak装置：访星器，箍缩，磁境试验水平稳步提高。90年代Tokamak研究令人鼓舞。JET上成功注氚。国家合作热核试验堆ITER启动。目前有十七个国家，35个Tokamak装置在运行。中国有3个。91年JET达到：7MA,1.5秒,9×1020m-3.s.keV。氚氘比为11％，聚变输出功率1.7MW,输出输入功率比为2.8。美国TFTR10.7MW。97年JET16.1MW。98年JT－60UD－D成功。ITER之后提出先进堆SSTR，ARIES-I,ARIES-II等概念。着眼稳定运行，缩小尺寸，提高聚变功率密度，降低成本。五、聚变装置聚变装置－基本组成环形堆芯等离子体Plasma包层Blanket(多模块，VV内）偏滤器Divertor(多模块，VV内）真空室VacuumVessel环向磁场约束线圈TFC（Superconductingtoroidalmagneticfieldcoils）轴向磁场约束线圈PFC（Superconductingpoloidalmagneticfieldcoils）冷却系统等离子体工程作用：维持聚变反应（约束、温度、密度）真空系统等离子体加热系统电流驱动系统聚变材料供应系统余灰排出等离子体测量、控制等离子体工程聚变堆计划发展步骤六、ITER计划ITER－TheInternationalThermonuclearExperimentalReactorITER(meansthewayinLatin)1985年，在美、苏首脑倡议和IAEA赞同下发起，其目标是要建造一个可自持燃烧（即“点火”）的托卡马克聚变实验堆，验证聚变反应堆的工程可行性，聚变功率1500MW（后调整为500MW)。ITER由俄、日、美、欧四方共同承建。美国曾于98年退出，2003年2月美国宣布重新加入ITER，中国也同时宣布作为全权独立成员加入ITER计划谈判。ITER计划自1988年启动以来，不仅完成了物理和全部工程设计，而且还完成了许多关键部件的预研。预计工程建设8-10年完成。参与ITER合作的六方（欧盟、俄罗斯、中国、日本、美国和韩国）于2005年6月28日在莫斯科一致同意将ITER试验反应堆设在法国南部的Cadarache。整个项目将耗资100亿欧元（一半将用于建造反应堆），其中的一半将由欧盟承担（20%由法国承担、30%从欧盟预算中支付），余下的部分将由参与合作的五方各方承担10%。ITER的任务展示和平利用聚变能的科学及技术的可行性.展示适当的功率输出/输入增值比，展示聚变能利用技术中的系统的物理及技术集成解决聚变能做为实用能源的关键科学与技术问题ITER的重要性ITER用的TOKAMAK比世界现有的大（线性尺度大2倍），且聚变性能大幅提高，是对TOKAMAK技术的重大推进，也对堆的物理及技术设计提出严肃挑战第一个电站热功率水平的聚变装置提供聚变科学与技术发展的主要方向及基础是示范堆研究计划的关键一步“Tokamak”–产生＋约束反应条件等离子体体积要足够大，保证满足高能工作条件.超导线圈－约束＋控制(plasma)。内包层吸收反应热，保持等离子纯度,放置试验件forDEMOblanketdevelopment.生物屏保护线圈和真空容器混凝土结构剂量屏所有部件和系统运行前需试验VacuumVessel真空室对等离子体提供高真空边界，并防止放射性逸出。室内所有设备有水冷系统冷却真空室设置有包层和偏滤器及portplugs等设备的支撑结构Plasma维持聚变条件：D-T等离子体有足够的高温克服原子核间的排斥力（亿度）保持高密度，并约束足够长时间来克服能量损失ITER条件：T=3x1021m-3.keV.s.超导线圈约束、整型、控制等离子体ITERhas18TFC,6PFC,aCentralSolenoidCoil(CSC),aCorrectionCoils所有线圈结合成一个组件，以简化电磁负荷的平衡线圈由超临界氦冷却，bycryogeniccirculationpumpsMagnetSystems屏蔽包层的三个功能：传出所有等离子体产生的中子能量和绝大多数粒子能量屏蔽真空室和超导线圈稳定等离子体包层模块安装在真空室内每个模块通有两个永久性水冷管道不锈钢和水提供必要的中子屏蔽模块有个分离的第一层，贴在钢屏蔽部件上。维修时仅换的一层，减少放射性废物。Divertor（偏滤器）排出聚变反应粒子能量引出氦核及其它由于聚变反应产生的不纯粒子引出由于等离子体与壁面作用产生的不纯粒子NominalparametersofITER-FEATininductiveoperation关键技术大型超导磁铁高效等离子体控制（高参数、稳态运行、超导等）包层相关技术（第一壁、增殖包层、偏滤器、热循环等，其中材料技术是“瓶颈”：高热流密度部件；抗高能中子辐射（破坏）新材料）辅助系统技术（氚燃料加料、排灰、安全等）遥控操作技术、部件维修及更换技术反应堆结构设计中国超导托卡马克研究计划1，已建成超导托卡马克HT-72，在2005年建成超导托卡马马克EAST3，在2010年左右提出建造混合堆计划R=1.22m，a=0.285m(MoLimiter)Ip=100~250kA(250)，ne=1~6x1013cm-3(6.5)BT=1~2.5T(2.5)，Te=1~2KeV(3.2)Ti=0.2~0.6KeV(1.8)，t=1~5s(20.8s)ICRF:f=15~45MHz,P=0.3MW,CW(035,10s)LHCD:f=2.45GHz,P=1.2MW,10s(0.65MW)Pelletinjector:upto8pellets/pershot，Supersonicbeaminjection: