聚变能和ITER计划

聚变能与ITER计划华中科技大学电气与电子工程学院J-TEXT托卡马克实验室,1,能源历史及现状(Whatisthehistory/status?)2,核能及聚变能(Whatisnuclear/fusionenergy?)3,聚变能和ITER的进展(Whathave/willhappened?)4，J-TEXT托卡马克简介（WhatistheJ-TEXT?),1,能源历史及现状(Whatisthehistory/status?)2,核能及聚变能(Whatisnuclear/fusionenergy?)3,聚变能和ITER的进展(Whathave/willhappened?)4，J-TEXT托卡马克简介（WhatistheJ-TEXT?),石器时代,5000B.C.,5000-4000B.C.,4000B.C.,1000B.C.,SteamEngine1712,500B.C.,1800s,人类征服和利用的第一自然力,原因（Thereasons）:人口的增长（Furthergrowthinthepopulation）;工业化的进步（Quickincreasingindustrialisationofthethirdworld）;生活水平的提高（Increasingprosperity）.,世界能源消耗将持续增长（Theenergyuseofmankindwillincreasefurther）,5,现有的宝贵化石资源有限（WorldFossilReserved）,化石能源的污染严重（GrievousPollution）,化石能源的问题（Theproblemsoffossilenergy）,6,国际原油价格不断攀高,7,2004年我国发电设备装机容量和发电量,8,中国能源消费增长的主要原因高耗能重、化工业短期内过度发展。经济发展和人民生活水平的不断提高。城市化进程的加快。居住及交通条件的改善。,9,10,我国能源面临的严峻形势,远虑矿物(化石、核)能源资源短缺，可再生能源难当重任，人口众多难以为继环境污染生态破坏，子孙后代影响深远温室气体排放的政治压力越来越大,既有远虑更有近忧！,近忧石油依赖进口，经济政治受治于人能源效率低下，全球竞争处于劣势自主能源技术供给能力严重不足，装备制造业难以持续,11,我国化石能源资源严重短缺,来源：上海综合经济简报，2005.02期,资源种类煤炭石油天然气水电装机容量（亿吨）（亿吨）（亿立方米）（亿千瓦）,探明储量114533117043.53,开采年限54811520285838104,可开采到2085202520652110!,在未来50100年内，必须找到替代能源！,中国的铀资源仅能支持4-5100万kW核电站。,中国仍有一半的国土没有照亮在未来50100年内中国可否跨越能源短缺的“瓶颈”?,Source:NASA,USA,12,可能的新能源(PossibleNewEnergySources)1/6,优势：清洁，无CO2劣势：坝体对生态的影响，受地理地质环境限制,三峡水电站,可再生能源(Renewableenergysources)1/4水电(HydroelectricPower),13,可能的新能源(PossibleNewEnergySources)2/6,优势：清洁，无CO2劣势：受地理地质环境限制,羊八井地热电站,可再生能源(Renewableenergysources)2/4地热(Geothermal),14,可再生能源(Renewableenergysources)3/4太阳能(SolarEnergy),可能的新能源(PossibleNewEnergySources)3/6,优势：清洁，无CO2劣势：作为主要能源占地面积巨大；受地理地质环境限制,设在美国的太阳能电站,15,可再生能源(Renewableenergysources)4/4风能(WindPower),可能的新能源(PossibleNewEnergySources)4/6,优势：清洁，无CO2劣势：占地面积巨大；受地理地质环境限制,达板城的风能电站,16,核能(Nuclearenergy)1/2裂变能(FissionEnergy),可能的新能源(PossibleNewEnergySources)5/6,优势：清洁，无CO2劣势：废物处置，核燃料有限，潜在的安全问题。,大亚湾核电站,17,核能(Nuclearenergy)2/2聚变能(FusionEnergy),可能的新能源(PossibleNewEnergySources)5/6,优势：清洁，无CO2，燃料无限，可获得性好，固有安全性，无过热劣势：关键技术有待进一步研发,？,18,万亿度TWh(Tera-WatterHour),Worldelectricityuseupto2100至2100年全球电力消耗,Theenergyshortfallcouldbesuppliedbyfusionenergy聚变能可能在未来的50-100年内补足能源的不足,19,(Source:WorldEnergyCouncilandIIASA,1998),33%,13%,1,能源历史及现状(Whatisthehistory/status?)2,核能及聚变能(Whatisnuclear/fusionenergy?)3,聚变能和ITER的进展(Whathave/willhappened?)4，J-TEXT托卡马克简介（WhatistheJ-TEXT?),Principleofthenuclearenergy核能的物理基础,E=mc2,=Mass质量,=Energy能量,E,m,=3108m/sec光速,c,Whatisfission?什么是裂变？,Whatisfusion?什么是聚变？,D+DD+3HeD+T,“easiest”:“largest”crosssectionat“lowest”temperature,D+T-4He+n+DE(17.6MeV),n+6Li-4He+Tn+7Li-4He+T+n,D+Li-4He+100106kWh/kg,1eV=104K,Whatdoesfusionreactorwork?,24,聚变的条件是高电势原子核、足够的约束时间及密度,聚变与裂变的优势及劣势Fusionvs.FissionAdvantagesandDisadvantages,能源(EnergySource)优势(Advantages)劣势(Disadvantages),清洁，无CO2废物处理困难(Clean,noCO2)(Difficultwasterdisposal)裂变能(Fission)无直接污染潜在的安全问题(Noimmediatepollution)(Safetyconcern)燃料有限(Limitedfuel),清洁，无CO2关键技术有待进一步研发(Clean,noCO2)(HugeR太阳的质量:21027吨;太阳的外层温度：6000K,太阳的中心温度：15,000,000K.,31,太阳能就是通过聚变产生的Thesunsenergyisfromfusion,人类可否在地球上实现太阳上的持续核聚变反应？Thesunreleaseshugefusionenergytotheuniverseinsteady-stateway.Maywegovernfusionenergyontheearthaswelike?,等离子体是什么？（Whatisplasma?）,等离子体是具有电导性及活性的物质(Plasmaiselectricallyconductingandveryreactive),33,中性原子气体,等离子体,等离子体-物质的第四态,等离子体占宇宙中可见物质的99%,受控热核聚变的三种途径,激光惯性约束核聚变,引力约束的核聚变,磁约束核聚变,磁约束,托卡马克,托卡马克(Tokamak)是由俄罗斯科学家发明的利用变压器原理产生等离子体，并由强磁场约束及控制等离子体的装置。Tokamak是由俄文“环形”、“磁场”及“容器”的前几个字母组成。其主要部件组成为：真空室、纵场（环向场）磁体、极向场（垂直场）磁体等。ThetermtokamakcomesfromtheRussianwords:“Toroidalnayakamerasmagnitnoikatushkoi(toroidalchamberwithmagneticcoil).Itwasinventedinthe1950sbyIgorYevgenyevichTammandAndreiSakharov.Atokamakisatoroidalmagneticplasmaconfinementdevice,theleadingcandidateforproducingmagneticfusionenergy.,世界上的代表装置(Examples):EAST,HL-2A,J-TEXT,JET,JT60-U,ITER,托卡马克原理（PrincipleofTokamak）,44,1,能源历史及现状(Whatisthehistory/status?)2,核能及聚变能(Whatisnuclear/fusionenergy?)3,聚变能和ITER的进展(Whathave/willhappened?)4，J-TEXT托卡马克简介（WhatistheJ-TEXT?),1952年，美国第一次Sherwood方案会议在Denver举行。在以后几年里，发展了仿星器、磁镜、箍缩等装置。1957年，英国环形箍缩装置ZETA运行。1958年，国际和平利用原子能会议在日内瓦召开。各主要国家将聚变研究解密。1961年，IAEA第一次国际核聚变会议在萨尔茨堡召开。1964年，苏联研制T-3装置，大半径1m，环向磁场2-2.5Tesla，电子温度达到600-800eV。1968年，苏联在新西伯利亚会议上公布托卡马克上的结果。1969年，英国Calham实验室的科学家携激光散射测量装置去苏联T-3装置实地测量，证实确实达到很高的电子温度。1970年，各国开始建造自己的托卡马克。1974年，美国公布角向箍缩装置Scyllac的结果。1979年，美国串列磁镜TMX成功验证串列磁镜概念。,磁约束聚变研究历史,1985年，苏美首脑建议合作建造国际热核实验堆，即ITER1989年，德国ASDEX实现H模运转。1990年，ITER完成概念设计1991年，欧洲的JET装置用DT反应产生1.7MW聚变功率。1993年，美国TFTR装置用DT反应产生6.4MW聚变功率，后来又将这一功率提高到10.7MW。1997年，JET又创造了DT反应产生16.1MW聚变功率的新记录。1998年，日本JT-60装置的DD反应的实验参数的等效DT反应能量增益因子Q达到1.25；ITER完成工程设计2005年，参加ITER计划六方决定将装置建在法国,磁约束聚变研究历史（续）,点火条件:仅用反应产生的粒子的能量维持反应所需的温度,反应截面与温度的平方相关，更为普遍的作法是用三乘积来表征点火条件，也能表征聚变研究的发展水平。当取T=10-20keV为适宜，氘氚点火条件为：,托卡马克的进展（和芯片、加速器比较）,托卡马克的进展,已达到的水平（Whathasbeenachieved?）,TFTR(USA)reachedQ=0.3,JETreachedQ=0.8,50,我国磁约束聚变研究机构的演变（1958-2005）,1958年，中国科学院原子能研究所二部（现原子能科学研究院）开始磁约束聚变的研究；中国科学院物理研究所，以及电工研究所、北京大学、复旦大学相继开展磁约束聚变研究。1959年，原子能研究所建成脉冲磁镜小龙；第一届全国电工会议在北京召开。1962年，卢鹤绂、周同庆、许国保受控热核反应出版；第二届全国电工会议在哈尔滨召开；黑龙江原子核研究所建成一台小型角向箍缩装置。1965年，东北技术物理研究所（原黑龙江原子核研究所）与原子能研究所十四室合并，迁往四川乐山，称西南585所。1966年，第三届全国电工会议在哈尔滨召开。,电工会议时期（准备阶段）,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。1971年，西南585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；“受控核聚变研究工作交流会”在乐山召开。1975年，中科院在安徽合肥筹建等离子体物理研究所；西南585所超导磁镜装置303建成；中国科学技术大学建立等离子体专业。1980年，核聚变（核聚变与等离子体物理）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。,文革和后文革时期（整合阶段）,1984年，核工业西南物理研究院研制成功HL-1环流器装置。同年，中科院等离子体物理所研制成功HT-6M托卡马克装置。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。1994年，核工业西南物理研究院将HL-1改装成HL-1M。1999年，石秉仁磁约束聚变：原理和实践出版；英文刊物PlasmaScience&Technology创刊。2002年，核工业西南物理研究院建成HL-2A装置；中科院物理所和清华大学合作，建成一台球形托卡马克SUNIST；华中科技大学将美国的TEXT装置引进国内。2005年，我国决定加入ITER；中国科学院等离子体物理研究所建成超导托卡马克EAST。,改革开放时期（攀登阶段）,我国的装置参数的地位,HL-2A托卡马克,核工业部隶属装置纵场:2.8T等离子体电流:480kA持续时间:3.0s等离子体密度:6.0 x1019m-3电子温度:2.0keV离子温度:800eV加热手段:NBI等,国家九五重大科学工程项目EAST(HT-7U)Tokamak,主要参数(MainParameters)纵场(ToroidalField)Bo3.5T等离子体电流(PlasmaCurrent)IP1-1.5MA大半径(MajorRadius)Ro1.7m小半径(MinorRadius)a0.4m大小半径比(AspectRatio)R/a4.25拉长度(Elongation)Kx1.6-2三角形变(Triangularity)dx0.6-0.8加热及驱动(HeatingandCurrentDriving):离子回旋加热(ICRH)6MW低混杂波驱动(LHCD)6MW中性束(NBI)4(10)MW电子回旋加热(ECRH)0.5(2)MW脉冲长度(Pulselength)1000s-CW位形(Configuration)DN,SN,57,EAST,教育部唯一中型托卡马克装置中美联合J-TEXTTokamak,主要参数：等离子体大半径R=1.05m等离子体小半径a=0.30m等离子体电流IP=350kA纵场场强BT=3T等离子体密度ne=3x1013cm-3中心电子温度Te0=1keV中心离子温度Ti0=1keV拟加热手段ECRH位形DN，SN,中国建国以来最大的国际科技合作项目InternationalThermal-nuclearExperimentalReactor,ITER,CentralSolenoid,OuterIntercoilStructure,ToroidalFieldCoils,PoloidalFieldCoils,MachineGravitySupports,BlanketModules,VacuumVessel,Cryostat,PortPlug(ICHeating),Divertor,TorusCryopump,59,ITERParametersTotalfusionpower500MW(700MW)Q=fusionpower/auxiliaryheatingpower10(inductive)Averageneutronwallloading0.57MW/m2(0.8MW/m2)Plasmainductiveburntime300sPlasmamajorradius6.2mPlasmaminorradius2.0mPlasmacurrent(inductive,Ip)15MA(17.4MA)Verticalelongation95%fluxsurface/separatrix1.70/1.85Triangularity95%fluxsurface/separatrix0.33/0.49Safetyfactor95%fluxsurface3.0Toroidalfield6.2mradius(max.conductor)5.3T(12T)Plasmavolume837m3Plasmasurface678m2Installedauxiliaryheating/currentdrivepower73MW(100MW),ITER,ITER将建在法国的Cadarache,建造目的：*产生和研究，维持400秒的感应驱动燃烧等离子体*产生和研究，稳态非感应驱动燃烧等离子体*检验主要聚变堆技术*堆部件试验，包括氚处理物理问题：*高能粒子效应*自加热效应*堆尺度物理问题,ITER历史(History)1985在1985年日内瓦峰会上，苏美两国元首提出联合世界主要聚变研究体(美国、苏联、欧盟、日本)，建造“国际热核实验堆(InternationalThermal-nuclearExperimentalReactor,ITER)”的建议，得到了国际原子能机构(InternationalAtomicEnergyAgency,IAEA)的支持。,ITER,1986-1988-DiscussionandNegotiationEstablishmentofacollaborationundertheauspicesoftheInternationalAtomicEnergyAgency(IAEA).1988-1991-(CDA)ConceptualDesignPhaseTheITERCDAbeganinApril1988andweresuccessfullycompletedinDecember1990.1992-1998-(EDA)EngineeringDesignPhaseDevelopeddesigncapableofignition-largeandexpensive.19982001ASpecialWorkingGroup(SWG)wassetupforreducingthecostbyreducingITERstechnicalobjectivesanddecreasingthetechnicalmarginswhilemaintainingtheoverallobjectiveofITER,ITER,2001-2002TheEDAwassubsequentlyextendedtoJuly2001.Newdesign:moderateplasmapowerreductionatabouthalfthecost.TheCTAterminatedinDecember2002,theCTAworkbeingcontinuedunderITERTransitionalArrangements(ITA).FourpossiblesitesforITERhadbeenproposed,atCadarache,Vandells,Rokkasho-muraandClarington.2003-2004InJan.2003ChinajoinedITERasafullParty,andtheUSArejoinedinFebruary2003.TheRepublicofKoreajoinedITERinJune2003Deadlockonsitedecision-December20th,2003.CanadaleavesITERJan.7th,2004.,ITER,2005CadarachewasselectedasITERsiteon28,Jun.2005.FinalNSSG/NmeetingwasheldinJeju,Koreafrom1to9Dec.2005.,ITER,NSSG-13/N-12/IPC-7,Jeju,Korea,NSSG-12/N-11/IPC-6,Chendu,China,China,US,EU,Russia,Japan,KoreaandIndiabeganthecooperationontheconstructionofInternationalThermonuclearExperimentalReactor(ITER).中国与美国、欧盟、俄罗斯、日本、韩国和印度开始合作建造“国际热核实验堆(ITER)”。,66,ITER,67,“ITERJointImplementingAgreement”initiatedinBrusselsinMay2006.2006年5月，7方代表在布鲁塞尔草签了“ITER联合实施协定”,ITER,68,ThesignatureoftheAgreementtookplaceataceremonyattheElysePalaceinParisandwashostedbythePresidentoftheFrenchRepublicM.JacquesChiracandbythePresidentoftheEuropeanCommission,M.JosManuelDuroBarroso.2006年11月21日，7方代表在巴黎爱丽舍宫正式签署了“ITER联合实施协定”，法国总统希拉克参加了签字仪式。,ITER,ITER预计工程进展,ITER装置的建筑平面布置,中国发展能源的战略2001-2030化石燃料+裂变核电站2031-2060裂变电站+聚变裂变混合堆+再生能源2061-2090裂变电站+聚变裂变混合堆+再生能源+聚变商用电站以后全靠聚变能中国参加ITER的作用和意义通过参加ITER的建造，掌握建造聚变商用堆的技术，为今后做自己独立发展的道路掌握控制燃烧等离子体的技术使民族工业有走向国际的平台服从外交政策的需要,预期的时间表（PossibleTimeSchedule）,聚变能是中国战略能源的重要组成。FusionenergyistheimportantpartofthefutureenergystrategyofChina.,72,中国核聚变研究始终以和平利用聚变能源作为自己的主要目标。ThemajormissionofthefusionR&DinChinaisthefusionenergyforpeacefuluse.,73,第一步：面向国际前沿，夯实国内基础（2005-2015）参加ITER建设，迅速提高国内聚变关键技术水平，全面掌握实验堆设计与制造技术；加速聚变人才培养，建成聚变物理、工程及管理人才的培训中心。,中国聚变研究三步走发展规划,第二步：面向国家战略能源需求（2015-2030）建造中国自己的稳态燃烧托卡马克实验堆（混合堆）开展聚变示范堆关键部件、关键技术或关键工艺预研或攻关，全面掌握聚变示范堆技术。,第三步：实现科研到商业化的转变（20302050）两种选择：继续走国际合作之路，联合建造DEMO(示范堆)，进而实现核聚变能源的商用化；建造“中国磁约束聚变示范堆”，进而实现纯聚变能源的商用化。,未来聚变电站,超导线圈,冷却剂,电力传输线,发电机组,热交换器,热水,超高真空泵,包层,等离子体加热系统,等离子体,热量,在包层中，中子的能量转换为热，锂转化为氚,将热量取出后，其他技术与现在的电站完全一样,展望,核聚变研究己经过了50年，但展望它能成为在物理上先进、工程上现实，环境上能接受，而经济上又有竟争能力的一代能源，还须要走过一段路程，并回答下述的挑战：1.是否祗有大尺寸的反应堆才能解决工程传热的困难？2.14Mev中子的辐照损伤是否造成聚变反应堆部件的经常更换？3.聚变反应堆对于可靠运行来说是否太复杂？4.聚变反应堆是否有经济竟争能力？5.D-T聚变反应与其它聚变反应的比较？6.托卡马克与其它途径的比较？7.聚变堆作为中子源的前景？,1,能源历史及现状(Whatisthehistory/status?)2,核能及聚变能(Whatisnuclear/fusionenergy?)3,聚变能和ITER的进展(Whathave/willhappened?)4，J-TEXT托卡马克简介（WhatistheJ-TEXT?