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文檔簡介

1、核聚變和ITER介紹Department of PhysicsBeijing University of Aeronautics and Astronautics 1,什么是核聚變2,核聚變用作能源的兩個重大優(yōu)點3,核聚變發(fā)生的條件4,受控核聚變的原理5,受控核聚變的方式6,TOKAMAK受控核聚變的發(fā)展7,什么是“超導托卡馬克裝置”8,中國在受控核聚變領域的發(fā)展9,國際熱核聚變實驗堆(ITER)組織10,金屬的輻照損傷和輻照效應大綱什么是核聚變核聚變是兩個較輕的原子核聚合為一個較重的原子核,并釋放出能量的過程。典型的聚變反應是太陽的能量來自它中心的熱核聚變人類非常羨慕這種能源,但是目前只學會

2、了破壞性地使用,這就是氫彈,一朵核聚變蘑菇云能輕易地抹平一座幾百萬人的城市。在太陽過去的46億年中,僅消耗了0.03%的質量。是什么東西這么耐燒呢?那就是核聚變。核聚變用作能源的兩個重大優(yōu)點一,地球上蘊藏的核聚變能遠比核裂變能豐富得多。據(jù)測算,每升海水中含有0.03克氘,所以地球上僅在海水中就有45萬億噸氘。1升海水中所含的氘,經(jīng)過核聚變可提供相當于300升汽油燃燒后釋放出的能量。至于氚,雖然自然界中不存在,但靠中子同鋰作用可以產生,而海水中也含有大量鋰。這就意味著,單靠海水,就能滿足人類100億年的能源需求。第二個優(yōu)點是既干凈又安全。因為它不會產生污染環(huán)境的放射性物質,所以是干凈的。同時受控

3、核聚變反應可在稀薄的氣體中持續(xù)地穩(wěn)定進行,所以是安全的。核聚變發(fā)生的條件太陽的中心溫度高達1500萬2000萬,中心壓力達3.4多億億帕,太陽內的物質在這樣高的溫度和壓力下,發(fā)生著劇烈的核聚變反應。地球上沒辦法獲得巨大的壓力,只能通過提高溫度來彌補,不過這樣一來溫度要到上億度才可以發(fā)生熱核反應。受控核聚變的原理第一步,作為反應體的混合氣必須被加熱到等離子態(tài)也就是溫度足夠高到使得電子能脫離原子核的束縛,原子核能自由運動,這時才可能使得原子核發(fā)生直接接觸,這個時候,需要大約10萬攝氏度的溫度。第二步,為了克服庫倫力,也就是同樣帶正電子的原子核之間的斥力,原子核需要以極快的速度運行,繼續(xù)加溫到上億攝

4、氏度,使原子核的布朗運動達到一個瘋狂的水平。氚和氘的原子核以極大的速度發(fā)生碰撞,產生了新的氦核和新的中子,釋放出量。第三步,經(jīng)過一段時間,反應體已經(jīng)不需要外來能源的加熱,核聚變的溫度足夠使得原子核繼續(xù)發(fā)生聚變。只要將氦原子核和中子及時排除,新的氚和氘的混合氣被輸入到反應體,核聚變就能持續(xù)下去,產生的能量一小部分留在反應體內,維持鏈式反應,大部分可以輸出,作為能源來使用。迄今為止,人類還沒有造出任何能經(jīng)受1萬攝氏度的化學結構。核聚變如此高的溫度沒有任何一種固體物質能夠承受如此高溫的反應體。早在50年前,兩種約束高溫反應體的理論就產生了。1,慣性約束核聚變2,磁力約束核聚變(托卡馬克)可控核聚變方

5、式1,慣性約束:這一方法是把幾毫克的氘和氚的混合氣體或固體,裝入直徑約幾毫米的小球內。從外面均勻射入激光束或粒子束,球面因吸收能量而向外蒸發(fā),受它的反作用,球面內層向內擠壓(反作用力是一種慣性力,靠它使氣體約束,所以稱為慣性約束),就像噴氣飛機氣體往后噴而推動飛機前飛一樣,小球內氣體受擠壓而壓力升高,并伴隨著溫度的急劇升高。當溫度達到所需要的點火溫度(大概需要幾十億度)時,小球內氣體便發(fā)生爆炸,并產生大量熱能。這種爆炸過程時間很短,只有幾個皮秒(1皮等于1萬億分之一)。如每秒鐘發(fā)生三四次這樣的爆炸并且連續(xù)不斷地進行下去,所釋放出的能量就相當于百萬千瓦級的發(fā)電站。磁力約束(托卡馬克):托卡馬克(

6、Tokamak)核聚變是一種利用磁約束來實現(xiàn)受控的核聚變。根據(jù)帶電粒子在磁場中的運動可知,帶電粒子在垂直于磁場的方向受到洛倫茲力。只要磁場只要足夠大,帶正電的原子核就跑不出磁場。建立一個環(huán)形的磁場,原子核就只能沿著磁力線的方向,沿著螺旋形運動,跑不出磁場的范圍。在環(huán)形磁場之外建一個換熱裝置(此時反應體的能量只能以熱輻射的方式傳到換熱體),然后再使用人類已經(jīng)很熟悉的方法,把熱能轉換成電能就是了。早在1954年,在原蘇聯(lián)庫爾恰托夫原子能研究所就建成了世界上第一個托卡馬克裝置。貌似很順利吧?其實不然,要想能夠投入實際使用,必須使得輸入裝置的能量遠遠小于輸出的能量才行,我們稱作能量增益因子Q值。當時的

7、托卡馬克裝置是個很不穩(wěn)定的東西,搞了十幾年,也沒有得到能量輸出,直到1970年,前蘇聯(lián)才在改進了很多次的托卡馬克裝置上第一次獲得了實際的能量輸出,不過Q值只有10億分之一。別小看這個十億分之一,這使得全世界看到了希望,于是全世界都在這種激勵下大干快上,紛紛建設起自己的大型托卡馬克裝置:歐洲建設了聯(lián)合環(huán)-JET,蘇聯(lián)建設了T15,日本的JT-60和美國的TFTR。這些托卡馬克裝置一次次把能量增益因子(Q)值的紀錄刷新。1991年歐洲Q值達0.12。1993年,美國Q值達到了0.28。2019年9月,歐洲Q值達0.60。三個月以后,日本Q值可以達到1。后來,Q值又超過了1.25。這是第一次Q值大于

8、1。中國在70年代就建設了數(shù)個實驗環(huán)托卡馬克裝置環(huán)流一號(HL-1)和CT-6,后來又建設了HT-6,HT-6B,以及改建了HL1M,新建了流2號。TOKAMAK受控核聚變的發(fā)展什么是“超導托卡馬克裝置”托卡馬克裝置的核心就是磁場,托卡馬克裝置越接近實用就要產生越強的磁場。用于產生磁場的線圈,由于有電阻而使得線圈的效率降低,同時限制通過大的電流,不能產生足夠的磁場。如果把線圈材料做成超導體,這就是超脫卡馬克。目前為止,世界上有4個國家有各自的大型超脫卡馬克裝置法國的ToreSupra,俄羅斯的T-15,日本的JT-60U,中國的EAST。合肥EAST全超導非圓截面核聚變實驗裝置除了EAST以外

9、,其他四個大概都只能叫“準超托卡馬克”,它們的水平線圈是超導的,垂直線圈則是常規(guī)的,因此還是會受到電阻的困擾。此外他們三個的線圈截面都是圓形的,而為了增加反應體的容積,EAST則第一次嘗試做成了非圓形截面。中國在這個領域有先天的優(yōu)勢,加上機遇很好,走到世界第一集團。先天優(yōu)勢:我們有王淦昌先生這樣一批理論上的大師,使得我們的基礎并不落后。國家對于能源的重視不是一天兩天了,自1956年的12年科學規(guī)劃以來,核聚變的研究已經(jīng)進行了半個世紀,積累了大量的經(jīng)驗。還有一個上帝送給我們的好禮物:內蒙古白云鄂博的稀土資源。它使得我們的超導工藝和激光技術并不落后這可是受控核聚變的重要組成部分。機遇好:一方面是當

10、年蘇聯(lián)解體,俄羅斯賤賣家底,我們得到了俄國的HT-7超脫卡馬克,使我們跨越性的認識了這一系統(tǒng)。另一方面,國際扯皮使得ITER拖了近20年,我們贏得了追上去的機會。中國人在這個關乎人類生存的領域,總算占有了一席之地。中國在受控核聚變領域的發(fā)展國際熱核聚變實驗堆(ITER)組織2019年11月21日,我國與歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國共同簽署了聯(lián)合實施國際熱核聚變實驗堆計劃建立國際聚變能組織的協(xié)定和聯(lián)合實施國際熱核聚變實驗堆計劃國際聚變能組織特權和豁免協(xié)定。ITER計劃是目前全球規(guī)模最大、經(jīng)費投入最多、影響最深遠的重大國際科學工程之一,它吸引了世界主要國家的頂尖科學家。ITER計劃的實施結

11、果將影響人類能否大規(guī)模地使用聚變能,從而從根本上解決能源問題的進程。 國際熱核聚變實驗堆建在法國金屬的輻照損傷和輻照效應金屬受到高能粒子輻照后可以產生種種宏觀性質的變化,這一現(xiàn)象叫作“輻照效應”。由于高能粒子和金屬的點陣原子實發(fā)生一系列碰撞,從而在金屬內部產生大量的點缺陷。而這種碰撞的原始微觀過程叫作“輻照損傷”。 輻照損傷和輻照效應各有不同的含義。輻照損傷著重討論輻照粒子所造成的點缺陷的數(shù)目和組態(tài),而輻照效應則是研究這些點缺陷進一步的行為和后果。從過程所發(fā)生的時間來看,輻照損傷所涉及的原始微觀過程只發(fā)生在10-11秒之內,而輻照效應所討論的缺陷遷移過程則需要若干毫秒甚至幾個月。輻照損傷 輻照

12、時的入射粒子可以是中子,也可以是帶電粒子,如質子,(氦核He2 ),或碳、鎳之類的重離子等。下面以中子為例說明輻照損傷的各種過程:1,產生空位缺陷。當中子和金屬點陣內的某一靶原子的核(靶核)相碰撞,中子就將其能量的一部分傳遞給靶原子。如果所傳遞的能量大于某一個稱作離位閾能(Ed)的閾值(一般約為25eV),被擊原子就脫離它的平衡位置,成為一個初級擊出原子,并在原地留下一個空位。2,使金屬內部的一個微觀區(qū)域被迅速加熱到幾千度的溫度。入射粒子或擊出原子與點陣原子相作用時也可以是掠射性(小角度)的低能傳遞。這時靶原子并不離位而是在其平衡位置附近被迫振動,并將這一振動能迅速傳遞到周圍去。其效果有如金屬

13、內部的一個微觀區(qū)域被迅速加熱和冷卻。這個瞬時過程稱作熱峰。熱峰可能在10-11秒的時間內達到幾千度的溫度。3,產生雜質原子;入射粒子最后停留下來,或與靶原子核發(fā)生核反應產生新的元素(嬗變作用),成為雜質原子。例如,不銹鋼中的鎳可以通過59Ni(n,)56Fe反應轉化成鐵和氦。 4,產生填隙等缺陷;考慮到金屬內的原子呈有序排列,因而沿某一晶向的一列原子可能發(fā)生一連串連續(xù)對撞,從而有換位碰撞,聚焦碰撞,或動力擠子。上述中子輻照損傷過程也適用于帶電粒子,所不同的是帶電粒子和靶原子碰撞的幾率比中子大,射程也較短,因而損傷區(qū)集中而且損傷率要比中子大。反之,由于中子不帶電荷,不發(fā)生庫侖碰撞,所以它可以有很

14、大的平均自由程和射程,足以造成分布整個金屬中的損傷。金屬表面形成的錐形突起金屬表面的層離另外,帶電粒子可以造成金屬表面的濺射,使金屬表面形成錐形突起(如圖);氣體帶電粒子還可以使金屬表面起泡和層離(如圖)。這些都是聚變堆第一壁,即聚變堆最靠里面的第一個和等離子體區(qū)相接觸的容器壁(英文稱first wall)材料的重要輻照問題。 輻照效應 輻照損傷產生多種形式的晶體點缺陷和點陣擾動在一定條件下擴散、聚集,或者轉化成其他形式的缺陷,結果使金屬的性質發(fā)生變化,這就構成了輻照效應。上述起泡和層離就是輻照效應的一種現(xiàn)象。 輻照后種種缺陷的形成必然會使金屬的性質和行為發(fā)生變化:1,輻照腫脹 空位和惰性氣體原子的聚集可以

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