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            核聚变的加工利用

            发布时间: 2016-07-24 19:52:27   作者:无   来源:

             

            第一部分:概述
            第二部分:技术原理
            第三部分:国内发展和应用现状
            第四部分;国外发展和应用现状
            第五部分:经典案例
            第六部分:参考文献
             
            概述
            一个氘核由一个质子和一个中子组成,一个氚核由一个质子和二个中子组成,它们发生聚变反应结合成由二个质子和二个中子组成的氦核时,要放出一个中子,并释放出核能。一定质量的氘核和氚核聚变时放出的能量要比等量的铀核裂变时放出的能量大几倍。聚变需要在几百万摄氏度的高温下才能发生,因此聚变又叫热核反应。
            核聚变就是指两个较轻的元素在一定条件下合成一个较重元素的核反应,同时因质量亏损而释放能量。聚变的条件是极为苛刻的:对氘、氚来说,要实现热核点火,必须满足劳逊判据: nτ> 1014 cm- 3 s; 同时温度必须达到108 度量级。也就是说,在极高的温度下,物质处于等离子体状态,它的粒子密度n 和约束时间τ都必须足够大。为此,高温等离子体一定要能被“约束”住,否则将因膨胀飞散而导致反应不能迅速进行。目前有3 种不同的约束方式:
            (1) 发生在太阳上的“重力约束聚变”。
            (2) 托卡马克装置中的“磁约束核聚变”。
            (3)“惯性约束核聚变”( ICF)
             
            技术原理
            a) “托卡马克”型磁场约束法:上世纪70 年代,前苏联科学家发明了“托卡马克”装置,并逐渐成为核聚变研究的主流途径。托卡马克装置又称环流器,是一个由环形封闭磁场组成的真空磁笼。高温等离子体就被约束在类似面包圈的磁笼中。它利用强大电流产生的强大磁场,把等离子体约束在很小范围内以实现核聚变的三个条件。虽然在实验室条件下已接近成功,但远未达到工业应用。按照目前的技术水平,建立托卡马克型核聚变装置需要几千亿美元。
            b) 惯性约束法:利用高功率激光束(或粒子束)均匀辐照氘氚等热核燃料组成的微型靶丸,在极短的时间里靶丸表面在高功率激光的辐照下会发生电离和消融而形成包围靶芯的高温等离子体.等离子体膨胀向外爆炸的反作用力会产生极大的向心聚爆的压力,这个压力大约相当于地球上的大气压力的10亿倍.在这么巨大的压力的作用下,氘氚等离子体被压缩到极高的密度和极高的温度(密度接近液体时的l 000倍、温度近107 K),被高度压缩的稠密等离子体在依惯性而扩散之前,即已完成核聚变,因此称“惯性约束核聚变”.其实,ICF的基本思想就是把强大的激光聚焦在热核材料制成的靶丸上,一瞬间产生强大的高温核高压,被高度压缩的稠密等离子体在依惯性而扩散之前,即已完成核聚变.
            惯性约束核聚变有两种方式:一种是“直接驱动”,其机制是借用激光脉冲从47r立体角方向均匀地照射氘氚靶丸,首先使之产生对称的高倍压缩然后实现中心点火;另一种是“间接驱动”,其机制是将激光先照射在一个封闭腔体的内侧壁(穿过腔上开的针孔),产生强X光辐射,X光在腔内均匀化后再照射位于腔中心的氘氚靶丸,产生压缩而点火.激光技术经过46年的发展,固体激光器已十分成熟,它是在实验室中能够创造高温高密度条件,并实现惯性约束核聚变的最佳技术途径.惯性约束核聚变可分为如下4个过程(见图1)
            (1)激光辐射:强激光束快速加热氘氚靶丸表面,形成一个等离子体烧蚀层;
            (2)内爆压缩:靶丸表面热物质向外喷发,反向压缩燃料;
            (3)聚变点火:通过向心聚爆过程,氘氚燃料达到高温、高密度状态;
            (4)聚变燃烧:热核燃烧在被压缩燃料内部蔓延,产生数倍的能量增益,大量的聚变能输出.
             
             
            国内发展和应用现状
            中国核聚变世界领先,EAST核聚变试验装置将领先世界十年,EAST装置是中国耗时8年、耗资2亿元人民币自主设计、自主建造而成的。EAST成为世界上第一个同时具有全超导磁体和主动冷却结构的核聚变实验装置EAST是“先进超导托卡马克实验装置(Experimental Advanced superconducting tokmak)”的英文缩写。 委员会评估认为它将是世界上第一个同时具有全超导磁体和主动冷却结构的托卡马克,能实现稳态运行。
            目前为止,世界上有4个国家有各自的大型超脱卡马克装置,法国的ToreSupra,俄罗斯的T-15,日本的JT-60U,和中国的 EAST。除了EAST以外,其他四个都只能叫“准超导托卡马克”,它们的水平线圈是超导材料,而垂直线圈则是常规材料,因此还是会受到电阻的困扰。此外他们三个的线圈截面都是圆形的,而为了增加反应体的容积,EAST则第一次尝试做成了非原型截面。
            中国推进聚变一裂变混合堆,希望在2000~2015年建成一座实验堆,2015~2030 年建成一座商用原型堆聚变研究开发的工艺副产品,也是推动其发展的主要因素到下个世纪,可能的收益更多地将来自副产品,而不是来自聚变能。
             
            国外发展和应用现状
            在世界聚变计划的实施中已取得了鼓舞人心的结果。大托卡马克接近能得失相当的阔值:TFTR(托卡马克康变试脸堆)的能量增益约达0.5,(欧洲核聚变环形装炭,又称欧洲联合环)的能量增益约达0.8。惯性约束聚变已取得了很大进展聚变界相信用5~10MJ的装置,在实脸室条件下可以获得高增益(100范围内)就经济效益而言,磁约束聚变和惯性约束聚变都有可能成为与化石徽料相竟争的断能源但聚变的投资比裂变的更大,目前估计聚变是裂变的3.5~3.4倍,不过研究人员正试图把它降低到2倍有利于聚变的决定因家是裂变废物的管理和处理费用以及全球性变暇的效应。
             
            经典案例
            国际热核聚变实验堆( ITER) 计划
            a)   概况
            ITER集成当今国际受控磁约束核聚变研究的主要科学和技术成果,第一次在地球上实现能与
            未来实用聚变堆规模相比拟的受控热核聚变实验堆,解决通向聚变电站的许多物理和工程问题。这是人类受控热核聚变研究走向实用过程中的必不可少的一步,因此受到各国政府及科技界的高度重视和支持。

             ITER 主要典型参数(括号中为另一组运行参数)
            总聚变功率
            500MW(70MW)
            Q(聚变功率/ 加热功率)
            >10
            14MeV 中子平均壁负载
            0. 57MW/ m2 (0. 8MW/ m2)
            每次燃烧时间
            >500s
            等离子体大半径
            6.2m
            等离子体小半径
            2.0m
            等离子体电流
            15MA(17MA)
            小截面拉长比
            1.7
            等离子体中心磁场强度
            5.3T
            等离子体体积
            837m3
            等离子体表面积
            678m2
            加热及驱动电流总功率
            73MW

             
             
             
             
             
             
             
             
             
             
             
             
             
             
             
             
             
             
            b)  ITER 计划的科学目标
            ITER 计划第一期的主要目标是建设一个能产生5 ×105kW聚变功率、能量增益大于10 (在其他参数不变的情况下,若运行电流为17MA ,则总聚变功率为700MW) 、重复脉冲大于500s 氘氚燃烧的托卡马克型实验聚变堆(具体参数见表1) ITER 中,将产生与未来商用聚变反应堆相近的氘氚燃烧等离子体,供科学家和工程师们研究其性质和控制方法。在此之前,人们只能在各核聚变实验室中创造和研究没有氘氚燃烧过程的高温等离子体(尽管温度可以足够高) 因此所有以前得到的研究成果,都必须在燃烧等离子体阶段得到验证并进一步发展。这是实现聚变能必经的关键一步。ITER 上得到的所有结果都将直接为设计托卡马克型商用聚变堆提供依据。 ITER 的建造是受控热核聚变研究(包括等离子体物理和等离子体技术) 的新阶段,也是人类更接近实现受控聚变能的标志。国际聚变界主流的看法是:
            ITER 计划在未来10 年内实现这一目标是有相当把握的。根据ITER 计划, ITER 设计还考虑了一些灵活性的安排,可供探索进一步改进燃烧等离子体性能的可能途径,并准备了多种控制燃烧等离子体的手段,使得在ITER 运行的第二阶段,可以探索实现具有持续、稳定、高约束的高性能燃烧等离子体。这种高性能的“先进燃烧等离子体”是建造托卡马克型商用聚变堆所必要的。这种先进稳态运行的基本参数见表2

            总聚变功率
            356MW
            Q(聚变功率/ 加热功率)
            5
            14MeV 中子平均壁负载
            0. 41MW/ m2
            每次燃烧时间
            > 3000s
            等离子体大半径
            6. 2m
            等离子体小半径
            2. 0m
            等离子体电流
            9MA
            等离子体中心磁场强度
            5. 3T
            加热及驱动电流总功率
            59MW

             
            参考文献
            [1] 毛剑珊,核聚变——未来的新能源,现代物理知识19 1 (109 )
            [2] 郑立仁,激光核聚变,物理教师2007年第28卷第4
            [3] 世界核聚变规划近况,核物理动态10卷第1
            [4] 赵君煜,国际热核聚变实验堆( ITER) 计划,前沿进展 33 (2004 ) 4