聚变能利用与国际热核试验堆.ppt
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1、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%
2、 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 + 3.27 MeV D +
3、D T + p + 4.03 MeV D + 3He 4He + p + 18.35 MeV D + T 4He + n + 17.59 MeV D是氘核(重氢)、T是氚核(超重氢) 总的反应效果: 6 D 2 4He + 2p + 2n + 43.24 MeV 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 + 4.8 MeV 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
4、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 + + + p + D 3He + 3He + 3He 4He + p + p 4 p 4He + 2e+ + 2 + 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
5、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110亿度(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
6、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
7、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
8、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
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