等离子体物理与核聚变.ppt

1、中国科学院等离子体物理研究所、等离子体与核聚变、中国科学院等离子体物理研究所科研概况、敬爱的周恩来总理控制热核反应研究是按照两条脚丫子行走、百鸟争鸣的指示，中国科学院于1973年2月成立了“合肥控制热核实验站”，1978年9月成立了等离子体物理研究所，中国科学院在历代领导班子的领导下，经过多年努力，形成了等离子物理与核融合工程技术研究为主的研究方向和络离子束生物工程、强磁场科学与技术应用等离子研究多学科发展的格局。 承担国家大科学项目工程建设、国家“八六三”规划、国家规划委员会、国家基金委员会许多重大科研项目，已成为我国主要的核聚变研究基地。 1994年12月在合肥中国科学院等离子物理研究所胜

2、利建成的中国第一台超导托卡马克装置HT-7，是中国融合研究走向世界的重要里程碑。 HT-7的建设在国际上有着积极且深远的影响，中国已成为继露西亚、法国、日之后，世界第四大具有超导托卡马克的国家。 能源-人类发展的主动力、能源危机是不可忽视的世界人口的发展和能源消费到2100年世界人口将达到100亿。 随着人口的增加，产生了人类的能源需求，而今天人类的能量源是地球上的“化石能源”，包括石油、煤炭、天燃气等。 人类自1973年以来，向地球要求5000亿桶(约800亿吨)石油，剩馀的石油按现在的生产水平进行修订，可以保证开采44年。 天燃气也只开采了56年，一部分国家的煤炭资源没有开采了。 矿物能源

3、不仅带来各种污染和世界温室效应，而且约200年内石油、煤、天然气资源可能枯竭。 从长远来看，核电源是继石油、煤炭、天燃气后的主要能量源，人类从“石油文明”走向“核电源文明”。 核电源未来能源的选择，是世界上所有的物质处于不稳定的状态，有时分裂合成，变成别的物质。 物质无论分裂还是合成都会产生能量。 从两个氢原子合成一个氦原子原子，称为核聚变，太阳由此放出巨大的能量。 众所周知的原子弹是由核裂变的原理引起的，现在的核能发电厂也利用核裂变发电。 原子弹、氢弹、核聚变是什么？ 核聚变从轻原子核聚合成重原子核释放能量。 最常见的是氢的同位素氢和氚聚合到氦原子等重原子核释放能量。 地球上的风力能源、水力

4、能源、生物成长的能源等几乎都来自太阳，在太阳的表面发生了聚变反应。 太阳本身就是一个巨大的聚变反应堆。 等离子体物质的第四状态也是最广泛存在的物质状态，现在观测到的宇宙物质的99%是等离子体。 研究核聚变的基础是近亿度的高温等离子体。 荧光灯霓虹灯电离瓦斯气体核聚变实验中高温电离瓦斯气体电焊时产生的高温电弧炎(上部)宇宙类星体(太阳)地球北极极光等是常见的等离子物质。 控制核聚变研究的基础等离子、核聚变研究，聚变反应利用重氢和氚的融合反应，重氢在海水中大量存在。 海水中约每600个氢原子有重氢原子，海水中重氢的总量约为40兆吨。 1升海水中含有的重氢完全融合释放出的融合能量相当于300升汽油燃

5、料的能量。 按照现在世界消耗的能量来计算，海水中重氢的融合能量可以利用数百亿年。 所以核聚变能源是用不完的新能量源。 含有海水1升=汽油300升重氢1克氚=汽油8吨地球表面海水氚1018吨，由于直接利用太阳能困难且效率低下，人类设想制造人工太阳，在地球上控制核聚变。缩小太阳这个大的反应堆运送到地球上。 控制核聚变的研究表明，核聚变在粒子温度上必须达到12亿度，这比太阳温度(中心温度1500万度，表面也是6000度)要高得多。 地球上的原子弹爆炸时可以达到这个温度。 根据核聚变原理制作的氢弹，是根据核裂变原子弹先爆炸产生的高烧启动核聚变燃烧器，使氢弹爆炸。 问题？ 在这么高的温度下放什么容器？

6、这个问题不难打倒科学家，20世纪50年代初，苏联科学家阿奇莫维奇提出了托卡马克(tokamak )的概念。 托卡马克是“磁线圈圆环室”的露西亚略语。 这是由封闭磁场构成的“容器”，能够约束电离的等离子体。 众所周知，粒子电荷沿着磁力线呈螺旋状运动，因此，等离子体受到这种环状磁场的限制。 该环状磁场也称为磁瓶或磁笼，由于看不见、触摸不到，也不接触有形物体，不怕高温，能够将热等离子体提升到空中。 控制托卡马克(tokamak )、核聚变研究，50年来，全世界共建设了100个托卡马克装置，艰苦地改善了磁场约束和等离子加热。 掀起了世界性的托卡马克研究热潮。 其中尤其是欧洲的JET实现了氘、氚的融合反

7、应。 1991年11月，JET将含有14%氚和86%氘的混合燃料加热至摄氏3亿度，融合能量约束时间达到了2秒。 反应持续1分钟，产生1018个融合反应中子，融合反应输出约为1.8兆瓦。 1997年9月22日创造了核聚变输出12.9兆瓦的新记录。 这个输出功率达到了当时输入功率的60%。 不久，输出功率上升到了16.1兆瓦。 现在，JET (欧洲共同体)的托卡马克最高输出和输入电功率比达到了1.25。 控制JT-60 (日本)、Tore SupraEUR-CEA (法国)、核聚变研究，中国参与ITER国际项目工程，露西亚、日、美、欧从1985年开始实施“ITER修订版”的ITER修订版是大型国际

8、科学技术合作修订版，将更大型的全超导非圆截面托卡马克核反应堆工程可行性验证，总工程成本46亿美元，工程建设即将开始，预计8-10年完成。 包括控制核聚变研究(等离子物理研究所)、HT-7超导托卡马克装置本体、大型超高真空系统、大型计算机控制和数据采集处理系统、大型高功率脉冲电源及其电路系统、全国最大规模的低温氦原子制冷系统、兆瓦级低噪声电流驱动和高频加热系统及数十种复杂的诊断测量系统。 十几次实验取得了一些具有国际影响的重大科研成果。 特别是2003年3月31日，实验取得了很大突破，得到了超过1分钟的等离子体放电。 这是继法国之后第2个能够产生分数量级高温等离子体放电的托卡马克装置。 中国第一台超导托卡马克核聚变实验装置HT-7、控制核聚变研究(等离子体物理研究所)、EAST或“实验型先进超导托卡马克”是全超导托卡马克装置。 EAST是世界上第一个可以平稳运行的托卡马克，具有全超导吸铁石和有源蒸发制冷第一壁结构。 该装置具有真正的全超导和非圆截面特性，更有利于科学家探索等离子体稳定的先进运行模式，其工程建设和物理研究为“国际热核融合试验炉”(ITER