聚变能利用及前景展望

聚变能利用与国际热核试验堆北京大学物理学院郑春开当前的能源问题与长远的根本出路人类生存发展面临能源的严峻挑战•化石燃料资源有限，不可能长期满足人类生存发展需要化石燃料(煤炭、石油、天然气）有限，几十、百余年或2-3百年将耗尽！•直接燃烧化石燃料，给环境造成严重威胁排放大量有害物质和二氧化碳（温室效应）一氧化碳、烟尘、二氧化硫、氮氧化物、；三、四苯芘（强致癌）；放射性飘尘（辐射损伤）。•核能为人类生存发展提供长期稳定的能源！聚变能是解决能源问题的根本途径•核能：裂变能和聚变能•裂变能利用：热堆电站：铀利用率太低～1-2%（只用235U）快堆电站：铀利用率：60-70%天然238U（包括热堆乏燃料！）通过中子增殖，再生核燃料239Pu，n→238U→239U→239Np→239Pu“烧掉”铀-238，再生更多的钚-239,核燃料再生利用铀资源可用2000年！•根本解决能源问题：利用聚变能聚变能利用原理与历史回顾聚变反应与聚变能聚变反应发现•1934年，澳大利亚奥利芬特（Oliphant）用氘轰击氘，生成一种具有放射性的新同位素氚，第一个实现了D-D核聚变反应•1942年美国普渡大学的施莱伯（Schreiber）和金（King）又首次实现了D-T核反应聚变反应与聚变能•聚变反应：D+D→3He+n+3.27MeVD+D→T+p+4.03MeVD+3He→4He+p+18.35MeVD+T→4He+n+17.59MeVD是氘核（重氢）、T是氚核（超重氢）总的反应效果：6D→24He+2p+2n+43.24MeV平均每核子的聚变能比裂变能大4倍聚变的燃料资源丰富•海水氘（D）在氢中占1/6500，每升海水中含氘33mg每升海水聚变能=300升汽油燃烧释放能量海水中氘总量35万亿吨，可用几亿年！•氚天然不存在,靠锂生产：n+6Li→T+4He+4.8MeV地球上锂丰富，我国可采的锂数百万吨；聚变产生1万亿度电只需100吨锂；•氦-3：月球上丰富，50-500万吨，用月球车运回1000吨，可发电万亿度,现在谈氦-3利用是过早了!巨大太阳能的来源•太阳核聚变：主要是质子循环p+p→D+β++νp+D→3He+γ3He+3He→4He+p+p4p→4He+2e++2ν+26.7MeV比235U每核子裂变能大8倍。•太阳每天聚变“燃烧”50万亿吨氢，太阳的氢可稳定燃烧几十亿年！•地球上建造的产生核聚变能装置，称“人造太阳”。聚变能利用原理聚变反应的困难•两个核都带正电，引起聚变反应必须克服库仑斥力。设想的方法有三种：1.用加速器加速氘核，再使其轰击含氘的固体靶，引起核聚变很容易,但在能量上得不偿失！2.用两束高能氘核对撞实现核聚变,两束氘核几乎是完全透明，几率太低！3.受控热核反应：将一团氘核约束在一起，并加热使其到达足够高的温度，形成完全电离气体，称“等离子体”，通过核间频繁地碰撞，依靠氘核自身热运动的动能，使两核相互接近，可望发生核聚变，称受控热核反应。受控热核反应条件•实现核能利用，条件十分苛刻，满足：高温：燃料（氘、氚）需1～10亿度（克服静电排斥）——高温氘氚等离子体约束：足够密度与足够长时间DT反应要求相对低些DD反应要求高•条件十分苛刻，是对人类的重大挑战！因此聚变发现，并不像1939年裂变发现那样震惊世界。只有实现原子弹爆炸后，聚变能才以氢弹爆炸形式得到释放。实现受控热核反应途径1.磁约束—利用磁场约束等离子体成功典型：托卡马克装置2.惯性约束—激光核聚变1963巴索夫（苏）、1964王淦昌（中）分别提出因为出现高功率激光器，使之成为可能。•要达到极高温度、实现热核聚变，还需采用各种加热手段。磁约束原理及其发展历史核聚变的研究由秘密转向公开•二战末期，前苏联和美、英各国在互相保密的情况下开展核聚变的研究；•秘密的研究结果远未达到当初的期望，人们开始认识到核聚变问题的复杂和艰难，都感到保密不利于研究的进展；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年秋在日内瓦举行的第二届和平利用原子能国际会议上达成协议，各国互相公开研究计划，并在会上展示了各种核聚变实验装置。自这次会议后，研究重点转向高温等离子体的基础问题，各种相关的论文、书籍也相继公开发表。等离子体的磁约束原理•带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用，绕磁力线做回旋运动，在垂直磁场方向上受到（横向）约束•回旋中心、回旋半径：rc=mv⊥/qB解决“两端”问题研究和建立各种磁约束位形装置1、环形磁场装置问题：磁力线弯曲或不均匀等产生“漂移”2、磁镜装置两端强、中间弱的磁场位形，带电粒子在两极间来回反射，称为磁镜效应。问题：两端仍有泄漏（速度空间逸出锥）磁镜装置的约束与逃逸•磁镜：中间弱、两端强的磁场位形，可使带电粒子在两极间来回反射•问题：•速度空间逸出锥•等离子体难以建立•苏联огра失败简单环形装置不能稳定约束•磁力线弯曲产生“漂移”•电流线圈产生的环形磁场内侧强外侧弱，也引起“漂移”•“漂移”使等离子体向外推，因而不能形成稳定的约束。•研究发现：磁场旋转变换改善约束——托卡马克装置←→＋＋－－托卡马克装置•20世纪50年代，苏联库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人发明了“托卡马克装置”。•在环形不锈钢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。同时用变压器放电，使真空室中气体（聚变燃料）电离并形成电流，强等离子体电流产生极向磁场,与环形磁场结合，形成旋转变换磁场，约束高温等离子体，这种装置称“托卡马克装置”。•托卡马克名称(Tokamak)环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)的字母缩写。托卡马克模型（HL-2M）等离子体电流环形真空室产生环形磁场线圈环形磁场角向磁场托卡马克异军突起•20世纪60年代，各种装置获得的实验结果与预期的相距甚远，唯有托卡马克装置取得了重大进展•前苏联的T-3：电子温度达到1keV，离子温度0.5keV，等离子体约束时间达到了“玻姆扩散时间”的50倍，优于其他类型装置。•在1968年召开的第三届等离子体和受控热核聚变研究国际会议上公布了苏联的T-3结果，立刻引起轰动。1969年，英国卡拉姆实验室主任皮斯（Pease，R.S.）带领专家小组，对上述结果做了实地验证核实，证明准确无误后，引起了极大的反响。•从此各国纷纷改建或新建托卡马克装置大量托卡马克装置建立•欧共体“JET”•美国PLT,TFTR•苏联T-10,T-15•日本JT-60U•中国1973年开始筹建环流器HL-1(1984),HL-1M(1994)（四川）HT-6B(1980),HT-6M(1985),HT-7(1995),EAST(2006)（合肥）•30多个国家建造了几十个托卡马克装置JET(欧洲联合环)突破性进展•1991.11.欧共体“JET”突破性进展第一次实现DT聚变反应：高温3亿度、约束2秒、反应1分钟、产生1018中子、输出1.8兆瓦•1997.12.提高到16.1兆瓦，为输入功率的65%。离“点火”不远了！•结果十分鼓舞！核工业西南物理研究院•1984年建成的中国环流器一号（HL-1）•1994年建成的中国环流器新一号（HL-1M）两个中型托卡马克装置•2002年建成,中国环流器二号A（HL－2A）（从德国引进的具有偏滤器位形的托卡马克装置）中国环流器（HL-1M)HL-2A中科院等离子体所•先后建成HT-6B、HT-6M等托卡马克实验装置•1991年从俄罗斯库尔恰托夫原子能所引进T－7超导托卡马克装置及其低温系统，对T－7进行根本性的改造，1994年底成功地建成大型超导托卡马克装置HT-7•2004年4月11日至6月14日在HT-7装置上高温等离子体物理实验研究中取得了突破性进展，放电脉冲长度突破了百秒关，达到了240秒HT-7超导托卡马克装置我国新一代核聚变实验装置•中科院等离子体物理所设计制造的全超导核聚变实验装置（EAST)，工程总投资近3亿元，今年7-8月进行首次放电实验。这是世界上第一套实际运行的核聚变实验装置。•全超导非圆截面托卡马克实验装置(EAST)，温度：5千万至1亿度存在时间达1000秒•EAST成为世界上第一个建成并真正运行的全超导非圆截面核聚变实验装置，这个装置将在未来10年内保持世界先进水平。”EAST装置国际热核试验堆计划(ITER)InternationalThermonuclearExperimentalReactorITER计划的历史演变与曲折过程•1985:里根-戈尔巴乔夫首脑会议上提出，在核聚变能方面进行国际合作，后来密特朗、戈尔巴乔夫、里根又进行几次会晤，确定设计和建造国际热核聚变实验堆（ITER）•1990年完成了ITER概念设计。•1999年美国宣布退出ITER计划。•2001年6月，欧、日、俄经过三年努力，完成了ITER的工程设计阶段，造价已降至约46亿美元•经过15年曲折过程，完成了工程设计。ITER计划的新进展•2002年，欧、日、俄开始协商ITER计划，并邀请中国与美国参加。中国先于美国，2003年1月正式宣布参加协商，同月美国总统布什也宣布重新加入ITER计划。•2003年2月18-19日，ITER第八次政府间谈判在俄罗斯圣彼得堡举行，中国和美国出席本次会议。•我国立项经历了3年的重大争论，终于加入•2005年韩国、2006年印度也参加了计划协商谈判。七成员国和地区政府草签协议•2006年5月25日，七个成员国和地区政府草签协议，建设国际热核聚变实验堆。•目标：功率达50万千瓦小型热核电站。人类第一次在地球上获得持续的，有大量核聚变反应的热电站。•2035年（如果试验顺利）开始建设第一个示范性核聚变发电站•2055年左右完成商业核聚变发电站的建设•本世纪后期，人类通过受控核聚变获得永不枯竭能源的愿望将有可能成为现实。ITER计划正式签署、生效并实施•2006年11月22日，中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国7方代表在法国正式签署了该计划的联合实施协定，标志着这个开发新能源的重大科学计划进入实施阶段。•ITER建在法国，项目预计持续35年，建造期10年，开发利用阶段20年，退役期5年，总费用约为50亿美元，欧盟承担40%的费用，其余6方分别承担10%，这是历史上总投入仅次于国际空间站的第二大国际科技合作项目。•经各国议会批准后，协议正式生效。今年10月24日欧盟委员会宣布，ITER合作协定当天正式开始实施，同时“国际热核实验反应堆”组织（ITEROrganization）当天也正式成立。中国参加ITER计划的意义•显示我们在重大科学领域中的大国地位，表示中国人民为人类发展做贡献。•积累经验、培养人才，在比较短的时间内，使我们国家核聚变的研究赶上国际水平，加快我们国家核聚变能源开发的进程•参加ITER计划现实意义，能够得到近期的回报因为我们国家在ITER建造过程中要负担大约40多亿人民币，其中有80%可以用国内制造的实物和设备来支付。我国分工负责的部分中有很多都是核反应堆计划的核心项目。通过实物的研制、可大大提高国内企业的技术能力和国际竞争力.ITER的设计参数与指标ITER模型ITER的主要设计参数•大半径：6.2m小半径：2.0m•等离子体电流：15MA环向磁场：5.3T•能量增益因子：QDT≥10•聚变功率：50万千瓦•燃烧持续时间：400s(3000s)•总投资：45.7亿美圆ITER等离子体•对ITER计划的胜利实施、实现核聚变能为人类造福，我们充满信心；•在不远的将来，将一劳永逸地解决人类生存发展的能源，我们充满希望。谢谢！