第17卷
第1期核聚变与等离子体物理V ol.17,No.11997年3月N uclear F usion and Plasma Physics
M arch 1997李正武我国受控磁约束核聚变的奠基人
尚振魁1 邓希文o 钱尚介
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(核工业西南物理研究院,成都610041)李正武先生,解放前去美国。1955年,经周恩来总理在日内瓦与美方严正交涉,被羁留在美的中国学者获准回国。李正武先生热爱新中国,放弃了在美职位与优越的生活条件,偕夫人孙湘先生,携出生仅二个月的幼子,与著名学者钱学森等同船返回祖国。
李正武先生早年从事轻核反应实验研究。在美期间,他解决了直接由核反应循环精密地自洽测定质量数从1至35所有轻原子核质量的问题,并由此得出当时最精确的爱因斯坦质量能量转换系数实验值。爱因斯坦质量能量转换关系被认为是整个物理学中也是自然界最根本的一个规律,同时也是原子能(核能)的基础。在同一时期,他进行了太阳物理方面的研究,成为后来提出热核聚变研究的先导。
李正武先生回国不久,正值我国着手制订“十二年科学技术长期规划”。他积极参与,提出多项建议。1955年末,他倡议在我国开展“可控热核反应”(即“受控核聚变”)的研究,并以“大能量”作为代号。自1958年开始,我国受控核聚变实验研究在中国科学院物理所和原二机部401所(现中国原子能科学研究院)相继展开。1961年,国家调整科研战线布局,核聚变研究从“元帅”降为“保留种子”。我国理论物理著名学者王承书先生调离原二机部401所14室。李正武先生由高能加速器研究和中国科技大学教学岗位调至受控核聚变研究岗位,迄至今日。
李正武先生1916年11月8日生于浙江省东阳县(现已改建为市),1934年浙江省高中毕业会考获第一名,同年在3600名全国考生中以第一名的成绩考入清华大学。“一二?九”学生运动时期,他热心参加,并于1936年冬参加“抗日前线服务团”赴绥远(现内蒙古自治区),参加了伟大的抗日战争。1938年毕业后,他去贵阳气象所,任技士。之后,他在江苏医学院(重庆)、复旦大学(重庆)、交通大学(重庆和上海)任助教、讲师、副教授。1946年,他考取教育部公费留学,去美国著名的加州理工学院,获博士学位。他的攻读主科为核物理,导师为C .C .劳列生与后来获诺贝尔奖的W .A .福勒;副科为(分子生物物理)噬菌体研究,导师为后来获得诺贝尔奖的M.德尔布鲁克。他先后在该校任研究助理、研究员。1954年,他去美国望城医学中心,创建了一台性能独特的钴射线治疗仪。多年之后,此治疗仪还在使用。1955年回国后,他协助我国原子核物理研究的先驱者赵忠尧先生研制完成了我国第一台1
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?核工业西南物理研究院科学技术委员会主任,研究员
核工业西南物理研究院副院长,研究员核工业西南物理研究院院长,研究员
第1期尚振魁等:李正武我国受控磁约束核聚变的奠基人 3
2.5MeV质子静电加速器和第一台电子静电加速器。自1958年起,他在近代物理研究所负责高能加速器的筹建工作,提出了我国高能加速器的早期方案。1959年后,他兼任中国科技大学教授,直到1961年转入核聚变研究领域。
自1961年起,在中国原子能科学研究院,他领导了绝热压缩小型磁镜装置的研究工作及小型仿星器装置的后期筹建工作,在此期间,还在东北503所倡仪建造稳态“多用磁笼”装置。1965年,他负责三线基地,即原二机部585所的筹建工作,1969年底,随三线建设迁至四川乐山原二机部585所,即现核工业西南物理研究院。文化大革命结束后,任二机部585所所长,任职期间,他指导了中国环流器一号装置的设计建设,领导了这一装置和全所的等离子体物理与聚变工程技术的研究工作。70年代初,他在国内率先提出了聚变裂变共生堆的概念。他高瞻远瞩,从哲学的高度,研究了等离子体的总体性质,提出了托卡马克等离子体的品质参数空间的概念,并在1986年国际原子能机构技术委员会会议上做了特邀报告。在此基础上,他指明了中国环流器一号装置明确可行的物理实验研究方向,为我国环流器一号装置物理实验研究的成功奠定了基础。1988年,为了指导我国受控聚变事业的发展,他及时提出了中国环流器二号的概念设计框架,成为中国环流器二号计划的早期基础。
李正武先生1980年被选为中国科学院院士,曾任中国核学会常务理事,是核聚变与等离子体物理学会的倡首人,亲任理事长至今。为推动学术交流,他创办了《核聚变与等离子体物理》期刊,任主编。他曾任国际原子能机构国际聚变研究理事会首届中国成员,现任该机构《Nuclear Fusion》期刊编委,并曾多次任国际有关专业会议的顾问委员会成员。李正武先生曾列席第三届全国政治协商会议,是第四、五、六、七届全国政协委员。
李正武院士是我们的导师,他一贯治学严谨,提倡理论联系实际,注意培养年青人。李正武先生一再亲切地教育、告诫年青人,科学技术的发展具有连续性和继承性,年青一代学术带头人群体,除了自身的努力外,还应尊重先行的老一辈科学家,相互学习,团结协作,才有可能形成。这对于我院严肃的科学作风的形成和一代学术带头人的成长具有重要作用。
三十多年前,当他刚来到中国原子能科学研究院原14室时,给全室每人发了一支小螺丝刀。至今,这个小小的礼物还在一些同志手中保存着,有时还用它。虽则他并未说明其用意,但显而易见,这是提醒年轻人,亲自动手,实践得真知。他曾经说过,一个优秀的大学毕业生,若到工厂,1—2年可望成为车间的骨干;若做一般成熟的科学研究,可能在3—5年内成为专家;但是,从事受控核聚变研究,要10年以上才可能成才。这极大地增强了年轻人安心钻研的劲头,并已为历史经验所证实。受控核聚变研究是个综合性很强的学科,涉及许多科学技术领域,要求深入而广泛的学科知识,这也是不同专业的人员相互了解与协作的基础。因此,李正武先生安排搞理论的同志参加实验和工程的具体工作,要求新来的大学毕业生轮流到各组参加短期工作,以期对各方面的工作有一个基本了解。虽则这种做法因十年动乱而中断,但在那一代人中,其潜移默化的作用却一直存在着。他崇尚实践、团结协作、不仅要作好本职工作还应扩大知识面的精神,促进了一代学术带头人的成长。
李正武先生一贯重视对年轻人的培养。当我院第一次出席国际重要学术会议时,李先生亲自对文章反复逐句修改,最后送国外专家及编辑部审定,以致正式发表时只改动了一个标点符号。当年轻人中间就重要学术问题发生争论时,他只是认真地听,从不轻率发表意见,回家亲自
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动手计算、分析,然后才个别告知你的意见是对还是错。他还亲自上课,讲解“实验数据与误差分析”,“怎样撰写科学论文”并讲解一些在各个时期还处于萌芽状态的涉及研究方向的问题。直到七十多岁高龄,对于研究生的论文,他还是从结构、文字各方面仔细推敲,从不轻易放过一个不足之处。在对外开放初期,科技人员的外语水平普遍不高,李正武先生亲自上课辅导,鼓励大家学好外语为科研工作服务。他对年轻人爱护备至,而对于夸夸其谈、华而不实的人,李先生只是淡然一笑,不屑一顾。因此,李正武先生不仅在核工业西南物理研究院,而且在国内一代学术带头人中乃至全国核聚变与等离子体物理界都有崇高的威望。李正武先生与国内外科技界都有广泛的接触,有许多朋友,老一辈科学家特别尊重李正武先生的意见,每当向他们汇报工作时,通常第一个问题就是问:“李正武先生什么意见?”
李正武先生一丝不苟的作风还表现在生活细节上,对整理好的书、材料以至一枚书签他都记得,要是别人动过,他就会知道。他有坚强的毅力,三年困难时期众多人身体不好,盛夏时节,大家都在桌、椅上午睡,他独自戴个草帽从中国原子能科学研究院北区徒步走回三公里外的南区,坐一会,又走回北区,坚持不懈。在外开会期间他和大家同吃同住,每天紧张工作,有时直到深夜。正因为工作和生活能张弛有度,虽八十岁的高龄,他仍是精神矍铄,思维敏捷,身体健康。
李正武先生热爱祖国和人民,热爱社会主义,热爱科学,关心国家大事,特别注意国家的科技体制改革,总是及时、准确地理解与运用中央的精神。年过古稀,他仍注视着我院的受控核聚变研究,不时提出指导性意见;关心我院的民品开发与生产,提出指导原则并努力身体力行,计划开展开发研究的具体工作。
李正武先生是我院的名誉院长,建国初期,放弃国外优越的工作和生活环境,毅然回国;在中华人民共和国科学研究发展的初期,积极倡导开展受控核聚变研究;在国家经济困难时期,迎着困难上,投身于我国核聚变事业,兢兢业业,数十年如一日;在文化大革命期间,忍辱负重,仍一如既往,以高度的事业心,潜心研究核聚变科学技术。李正武先生严以律已、宽以待人、诲人不倦、甘为人梯,以其严谨的治学态度热情地培养了整整一代学术带头人。他高瞻远瞩、进取创新、呕心沥血、无私奉献,为我国核能与核聚变事业作出了卓著的贡献,无愧为我国受控磁约束核聚变的奠基人。
在此,谨引用国家科委主任宋健、中国科学院院长周光召的贺电作为本文的结束,因为它也代表了我们的心声:“欣逢您八十华诞之际,谨向您致以衷心的祝贺和崇高的敬意,祝您生日快乐、健康长寿,并感谢您为我国科技事业所作出的贡献。”
(编辑部1996年12月9日收稿)
磁约束核聚变关键能量转换部件的磁流体力学探究 【摘要】新科技革命的到来，现代工业化生活所耗费的能量大部分来源于不可再生能源，这些能源非常有限，一旦耗尽，世界将会面临一场关于能源短缺的浩劫。近年来我国的磁约束核聚变用于工程技术研究和物力体力学研究方面取得了相当可观的成绩，该技术在很大程度上可以解决能源危机问题。本文详细阐述了磁约束核聚变的相关概念，分析了磁约束聚变与关键能量转换部件装置类别，重点介绍了核聚变反应堆以及磁流体力学实践运用。 【关键词】磁约束核聚变；磁流体力学；关键能量转换部件 0.引言 当今世界，无论是工业生产还是日常生活，所用到的能源绝大部分是来源于不可再生的化石燃料资源，这些不可再生的资源非常有限，现今许多国家正面临严峻的能源短缺问题。因此，核聚变能的运用在解决能源危机问题方面意义重大。磁约束核聚变作为可控核聚变的种类之一，在克服核聚变反应物的缺陷时又能够保证散发出强大的能源供应，目前世界各国相继投入了对磁约束核聚变的研究，陆续建立了不同磁场位置和形体的实验装置，重点研究磁约束核聚变关键能量转换部件的磁流体力学。 1.磁约束核聚变概念分析 磁约束核聚变是一种结合磁场引力和高热等离子体能量来实现核聚变反应的高科技，这个步骤的具体做法是，首先对已知燃料进行加热处理，让燃料变成等离子体形态，然后利用磁场引力的作用，抑制住高热等离子中的带电粒子，让带电粒子呈现螺旋状线性运动，最后对等离子体进行再次高温加热，直到发生核聚变反应。 2.磁约束聚变与装置类别分析 在20世纪六、七十年代，磁约束等离子燃烧核聚变研究已经经过了多次尝试和研究，依然取得了许多突破性的进展，世界各国相继创建了许多种功能各异、花样繁多的用于实现磁约束等离子燃烧核聚变反应的科学实验装置，主要有托卡马克、多极场、仿星器、磁场镜等不同磁场位形的装置[1]。这些高科技试验装置的创建目的就是为了研究使磁约束等离子体的稳定性发生改变以及能量损耗的形成原理，并力图寻找出克服高温等离子体不稳定性和能量损耗的方法。为实现磁约束核聚变反应常用的装置是托卡马克装置，这个装置主要起到引流、等离子高温加热等作用，与其它装置相比较而言，托卡马克污染较少、安全性更高、运行稳定等优势。托卡马克是一种圆状环形强力磁场装置（如图1所示），由于其结构造型特殊，圆状环形的强力磁场以及极向磁场的相对稳定作用，使得高温等离子体的稳定性加强，抑制高温等离子体中带电粒子的消耗，并且通过高温等离子体中的带电粒子实现对等离子体的抑制、稳定以及运动方向等方面的控制，采用中性束摄入以及高温频率波加热装置对等离子体进行控制，将等离子体中带电粒子电流维持在未消耗状态。目前托卡马克已经成为磁约束反应研究的重点使用装置，并将成为最有可能实现核聚变反应走向商业化运作的有效途径。
核聚变实验装置 1、 提纲概要 （一）、我们需要学些什么？ （二）、核聚变简介 （三）、激光核聚变 二、主要内容 （一）、我们需要学些什么？ 我们应该：会学习、会思考、有责任心、敢于承担责任。或许我们欠缺很多关于这几方面的东西，很多人都 是被别人牵着鼻子走的，渐渐失去了自己的主观判断力， 包括我也或多或少的是这一类人。韩老师举例讲述了很多 学习的好方法，以及告诉我们应该做一个严谨科学的人。 这样，我们才有可能造就属于自己的成功。平时，老师们 很少给我们提到这些方面的知识，本堂讲座大家收获良 多。 （二）、核聚变简介 核聚变：由轻原子核熔合生成较重的原子核，同时释放出巨大能量的核反应。 如下图，重原子核分裂为两个较轻的原子核时，释放出巨大的能 量；两个较轻的原子核结合为一个大的原子核后，释放出更大的 能量。 裂变： U 235 92 144 56
+ Kr 90 36 + n 1 n 1 + n 1 + 能量
U 235 92 144 56 Ba + Kr 90 36 + n 1 n 1
n 1 + 能量 + 聚变： 受控核聚变：让轻原子核（氢、氘、氚）聚合所产生的核能以可控的方式释放出来并有可观的能量增益的核反应。 D+D→T(1.01 Mev)+P(3.03 Mev) D+D→He3(0.82 Mev)+n(2.45 Mev) D+T→He4(3.52 Mev)+n(14.06 Mev) 氢弹爆炸是核聚变反应，但它是瞬间的、不可控的。 太阳上的核聚变反应是持续的、不可控的。 受控核聚变能源：资源丰富（足够用上几百亿年）、洁净（无污染）、安全（核事故概率几乎为零）且经济（消费者可以承受） 。 目前主要的几种可控核聚变方式： 超声波核聚变、激光约束（惯性约束）核聚变、磁约束核聚变（托卡马克）。 （三）、激光核聚变 激光核聚变就是利用激光照射核燃料使之发生核聚变反应。 激光核聚变主要有3种用途：一是可为人类找到一种用不完的清洁能源，二是可以研制真正的“干净”核武器，三是可 以部分代替核试验。因此，激光核聚变在民用和军事上都具有
第 18卷第 67期大自然探索 V o l . 18, Sum N o . 67 1999年 第 1期 EXPLO RA T I ON O F NA TU R E N o . 1, 1999惯性约束聚变能源与激光驱动器Ξ 中国工程院院士 中国科学院上海光学精密机械研究所研究员 国家高技术 863— 416主题专家组成员 范滇元 中国科学院院士 北京应用物理与计算数学研究所研员 国家高技术 863— 416 聚变能源是一种“干净的” 的能源。研究进展表明 , 80年代末 , 美国用 变 , 证实了这一技术路线在科学上的可行性。 90年代以来 , 一些国家制定了庞大的发展计划 , 以“点火” 为目标 , 建造百万焦耳级的巨型激光装置。同时 , 并行地开始了用于聚变能电站的驱动器研究。我国已有 30多年研究基础 , 现已制定跨世纪的“神光 - ” 计划 , 将在下世纪初建成 10万 J 级的激光装置 , 开展相关基础物理研究。 1聚变能源是地球上的人造小太阳
能源是人类赖以生存的基本条件。据估计 , 到下世纪中叶前后 , 全世界能源消费的需求将超过传统能源的供给能力 , 必须开发新的能源以弥补其短缺。聚变能源是新能源的重要候选者之一。 氢的同位素氘和氚在高温下聚合成氦核 “聚变” 。太阳的巨 , 而氢弹的爆炸则是地球上人为的聚变反应。氘和锂 (可产生氚在海中蕴藏量极其丰富 , 120kg 海水可产生相当 30L 石油放出能量的聚变能 , 聚变材料可谓“取之不尽” 。如果能在人工可控条件下实现聚变反应 , 则可以提供几乎用之不竭的能源。和传统能源相比 , 聚变燃料具有最高的比能。 然而聚变反应所要求的条件却极为苛刻。自持反应要有 1亿 k W h 左右的高温 , 并且参与反应的粒子密度 n 要足够高 , 能维持一定的反应时间Σ, 即n Σ值要达到 1014s c m 3以上 , 这就是著名的劳逊判据。 为了实现上述条件 , 目前有两条技术途径 :磁约束聚变 (M CF 和惯性约束聚变 (I CF 。 惯性约束聚变的基本思想是 :利用激光或离子束作为驱动源 , 脉冲式地提供高强度能量 , 均匀地作用于装填氘氚燃料的微型球状靶丸外壳表面形成高温高压等离子体 , 利 ? 1 3? Ξ谨以此文缅怀惯性约束聚变研究先驱王淦昌院士 用反冲压力 , 使靶的外壳极快向心运动 , 压缩氘氚主燃料层到每立方厘米几百克质量的极高密度 , 并使局部氘氚区域形成高温高密度热斑 , 达到点火条件 ; 驱动
高中物理| 19.7核聚变详解 核聚变 物理学中把重核分裂成质量较小的核，释放核能的反应叫做裂变。把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应叫做聚变。 1 轻核的聚变（热核反应） 某些轻核能够结合在一起，生成一个较大的原子核，这种核反应叫做聚变。 轻核的聚变: 根据所给数据,计算下面核反应放出的能量:
发生聚变的条件: 使原子核间的距离达到10的负15次方m.实现的方法有: 1、用加速器加速原子核； 2、把原子核加热到很高的温度；108～109K 聚变反应又叫热核反应 核聚变的利用——氢弹 2可控热核反应——核聚变的利用
可控热核反应将为人类提供巨大的能源,和平利用聚变产生的核量是 非常吸引人的重大课题，我国的可控核聚变装置“中国环流器1号”已取得不少研究成果。 1.热核反应和裂变反应相比较，具有许多优越性。 ①轻核聚变产能效率高。 ②地球上聚变燃料的储量丰富。 ③轻聚变更为安全、清洁。 2.现在的技术还不能控制热核反应。 ①热核反应的的点火温度很高； ②如何约束聚变所需的燃料； ③反应装置中的气体密度要很低，相当于常温常压下气体密度的几万分之一； 3.实现核聚变的两种方案。 ①磁约束（环流器的结构） ②惯性约束（惯性约束） 习题演练 1. (2011年绍兴一中检测)我国最新一代核聚变装置“EAST”在安徽合肥首次放电、显示了EAST装置具有良好的整体性能，使等离子体约束时间达1000 s，温度超过1亿度，标志着我国磁约束核聚变研究进入国际先进水平．合肥也成为世界上第一个建成此类全超导非圆截面核聚变实验装置并能实际运行的地方．核聚变的主要原料是氘，在海水中含量极其丰富．已知氘核的质量为m1，中子的质量为m2，He的质量为m3，质子的质量为m4，则下列说法中正确的是() A．两个氘核聚变成一个He所产生的另一个粒子是质子 B．两个氘核聚变成一个He所产生的另一个粒子是中子 C．两个氘核聚变成一个He所释放的核能为(2m1－m3－m4)c2 D．与受控核聚变比较，现行的核反应堆产生的废物具有放射性 2. 重核裂变和轻核聚变是人们获得核能的两个途径，下列说法中正确的是（） A．裂变过程质量增加，聚变过程质量亏损 B．裂变过程质量亏损，聚变过程质量增加 C．裂变过程和聚变过程都有质量增加 D．裂变过程和聚变过程都有质量亏损
惯性约束核聚变 核能的安全使用是缓解能源危机的有效途径。相对于核裂变，核聚变具有无放射性，单位质量提供的能量多等优点，而且地球上核聚变物质储量远远多于核裂变物质储量。实现受控核聚变。 聚变的原理： 他们是利用加速器或其它方法使原子核相互碰撞, 从而得到或失去能量。 要实现受控核聚变，必须满足两个基本条件，一是必须将燃料加热到很高的热核反应温度；二是，必须在足够时间长时间内将高温高密度等离子体约束在一起。Lawson 判据限定了实现核聚变的具体条件，即受约束的等离子体必须达到一定的密度n 、温度T 及约束时间τ。对氘氚反应，)/(109.3311mm s n ?≥τ，T 约为K 810。 有两种方法，实现受控核聚变。一是磁约束聚变（Magnectic Confinement Fusion ，MCF ），就是利用磁场将带电离子约束住，使之发生聚变的反应。二是激光驱动惯性约束聚变，就是基于氢弹原理，即利用高能激光驱动器在极短时间将巨变燃料小球（靶丸）加热、压缩到高温、高密度，使之在中心“点火”，点燃后继核反应实现受控核聚变，从而获得干净聚变能源。
聚变过程可分为四个阶段：一、强激光束快速加热氘氚靶丸表面，形成等离子体烧蚀层；二、驱动器的能量以激光或X 光形式迅速传递给烧蚀体，使之加热并迅速膨胀；当壳体外部向外扩张时，根据动量守恒定理，剩余部分则向中心挤压，反向压缩燃料； 三、向心聚爆将靶丸压缩至一定程度，使氘氚燃料达到高温、高密度状态，在靶丸中心形成热点；四、热核燃烧在被压缩的燃料内部蔓延，使主体燃料发生聚变反应，产生数倍的能量增益，从而产生大量的聚变能输出。 现在的惯性约束核聚变存在以下问题: 一、激光和离子束功率没有达到足够大； 二、激光必须照射均匀，小球壳本身厚薄均匀； 三、目前的爆炸方法有待改进。 ICF 研究进展 自从60年代初激光器问世以后，中、美、日、前苏联等国即着手激光驱动ICF 研究，多年来ICF 研究已在世界范围内取得了重要进展。但目前仍处在科学上可行性研究 阶段，即掌握主要环节的靶物理规律，实现实验室演示点火目标。为此需要驱动器（主要是高功率、高能量激光器）、靶物理理论和实验、精密诊断设备、靶的制备五个方面协调研究发展。下面主要介绍美、法、日等国在激光驱动器和靶物理方面的研究发展情况。 美国 从1975年至今，已建立了6代固体激光器，输出功率提高了近5个量级。 1985年建成了当时世界上最大的固体激光器NOV A ，脉宽约1ns ，10路、三倍频，能量（下同）输出约20KJ 。1994年NOV A 完成精密化，能量升级至40KJ 。 1995年在Rochester 大学建成固体激光器OMEGA （1ns ，60路、约45KJ ）。 正在建造国家点火装置（NIF ），3~5ns 、,192路、1.8KJ ，预计2005年前后建成。目前能源部的一个专门小组正在对NIF 的技术进行评估。 拍瓦（W 1510）装置（1ps 、1路、1KJ ）正在运行。 法国 PHEBUS 装置约1ns 、2路、KJ 42?正在运行。 在美国帮助下正在研制百万千焦LMJ ，3~5ns ，240路，1.8MJ ，预计2010年建成。 P102超短脉冲激光器，约350fs ，1路，55TW 我国 1964年，王淦昌在国际上独立提出激光驱动聚变的建议，由此开始了我国ICF 研究历史。80年代初中国科学院与当时九院合作研究促进了我国ICF 的发展。1993年，国家高技术863计划成立了惯性约束聚变主题专家组后，规划了国家ICF 发展目标，并在驱动器、靶物理理论和实验、精密化诊断设备、靶的制备五方面研究取得了重大进展，为进一步的研究打下了重要基础。 经过早期几代固体激光器的研制，1986年建成神光一号（SG-1）———当时称为LF-12，脉宽1ns 、2路、基频能量为J 8002?，1994年退役；与此同时建成了星光装置（1ns 、1路），目前输出能量约100J 。 1994年决定建造∏-SG ，1ns 、8路、6KJ ()?1、3KJ （?3），经过改造，2000年已开始投入运行。 1996年开始进行,I∏-SG 原型概念设计。I∏-SG 为60路、1ns 、输出到靶面的总能量为60KJ （?3），它是我国进行点火前靶物理并外推到点火物理研究的驱动器，约
核聚变与国家点火装置 默认分类 2009-05-07 22:58 阅读314 评论0 字号：大中小 氢弹的核装药可以用氘和氚，在它里面装有一颗小型原子弹作为引爆装置。爆炸时，先用雷管将普通炸药引爆，将分开的核装药铀235 和钚239迅速地压拢在一起，起爆小型原子弹，产生上千万度的超高温，使氘、氚产生聚变反应。另有一种以氘和锂为核装药的“干式”氢弹。氢弹内部用来引爆的原子弹爆炸后，产生超高温的同时还产生大量的中子，而锂在中子的轰击下又产出氦和氚。氘化锂中的氘和新产生的氚，又在超高温条件下发生聚变反应，产生氦核和中子，并放出大量的能。氘和氚的核聚变反应提高了反应温度，又会加速氘和氚的聚变反应速度。此后，人们又研制成了一种氢铀弹。它的中心是铀235或钚2 39，周围是氘化锂，再外面是铀238。最里面的是引爆用的原子弹。原子弹爆炸时，发生重核裂变反应，引起氘化锂产生轻核聚变反应；而由聚变反应产生的快中子来轰击铀238，使铀238也发生裂变反应。这种氢弹比其它氢弹的威力大，但放射性污染很严重，所以被称为“肮脏”的氢弹。 介绍氢弹主要是为了介绍核聚变，所谓的核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。核聚变有以下几种反应过程： 过程1主要是用氘和氚作为核燃料，生成氦后，会释放出17.58MeV的能量；过程2是纯氘为原料的，总共释放出43.15MeV能量，平均每个核子贡献3.6MeV，而裂变时每个核子仅贡献0.85MeV。过程 3主要用于氢弹中，上面已经介绍过了。 如果我们要像核裂变一样地使用核聚变，那就要实现受控核聚变，但是聚变不像裂变那样好控制。氘核是带电的，由于库仑力的存在，室温下氘核是不会聚合在一起的。为了使氘核聚合在一起（靠短程的核力，即强核力），就必须克服长程的库仑斥力。但是核子之间的距离小于10fm时才会有核力的作用。通过公式计算得出那时的库仑斥力将达到144KeV，如果两个氘核要聚合，那么每个氘核至少要有72KeV 的能量。把它换算成平均动能（3/2kT，平均动能是一个和温度有关的量，式中的T就是温度）的话，那么相应的温度为T=5.6×108K，即为5亿6千万K，但是要考虑到某些粒子会穿过反应物质，其次，不少的粒子的动能比平均动能大，这样理论聚变温度可降为10KeV，即1亿K左右，但是这还是一个很高的温度。在那么高的温度下，由于热运动剧烈，彼此猛烈碰撞，原子就会电离成正离子和自由电子，形成了物质的第四态——等离子体。1940年前后，阿尔芬（Hannes Olof Gosta Alfven，1908—1995）开拓了磁场中导电气体的磁流体动力学的研究领域。磁流体动力学理论描述等离子体（在高温时电离原子和电子的混合物）在磁场存在时的流动行为。他是首先意识到等离子体是宇宙中比固态、液态或气态更为普遍的物质状态的科学家。1942年，他在太阳黑子的研究中发现了太阳中电离气体的磁流体波，现在称之为阿尔芬波。这种磁流体动力波，也可以存在于晶体和地球的大气层中，甚至到处可以发现，它对理解许多等离子体现
国家磁约束核聚变能发展研究专项 项目申请书 项目名称： 申报单位： 项目负责人： 申报日期： 1
中华人民共和国科学技术部制 2
项目摘要（1,000字左右） 简述开展项目研究的重要性和必要性、拟解决的关键问题、主要研究内容和目标、课题设置。 申请书正文（不超过30,000字） 一、立项依据 开展项目研究的重要性和必要性。 二、国内外研究现状和发展趋势 国际最新研究进展和发展趋势，国内研究现状和水平，相关研究工作取得突破的可能性等。 三、拟解决的关键科学技术问题和主要研究内容 详细阐述围绕国家磁约束核聚变能发展研究专项任务所要解决的科学技术问题。主要研究内容要围绕关键问题，系统、有机地形成一个整体来详细阐述，重点要突出，避免分散或拼盘现象。 四、阶段性目标和总体目标 详细阐述项目的总体目标和阶段性目标，要有具体、可考核的考核指标。 3
五、总体研究方案 结合主要研究内容阐述学术思路、技术途径及其创新性，与国内外同类研究相比的特色和取得突破的可行性分析等。 六、课题设置 围绕项目所要解决的关键问题、研究重点和预期目标合理设置课题。说明课题设置的思路、各课题间的有机联系以及与项目预期目标的关系；详细、具体叙述各课题的名称、主要研究内容和目标、承担单位、课题负责人及主要学术骨干和经费比例等。 七、现有工作基础和条件 1. 项目承担单位在所申报项目相关研究方面的工作基础和取得的主要研究成果。 2. 项目实施所具备的工作条件，包括实验平台和大型仪器设备等，国家实验室、国家重点实验室和重大科学工程等重要研究基地在项目中所起的作用等。 3. 项目申报单位近五年承担的与所申报项目直接相关的国家科技计划重大、重点项目的完成情况，与所申报项目的关联和 4
中国核聚变装置完工 KTX装置真空室与纵场磁体整体穿插组合及双C组件合拢成功原标题：中国大型反场箍缩磁约束聚变实验装置在合肥开始总装 可控核聚变是当代世界最前沿的科技领域，由于其对技术要求的极端苛刻，到目前为止仍处于前期预研阶段，而且学术界有“核聚变距离成功永远有25年”的说法。目前世界各国投入研究力量最大的是磁约束核聚变，而这其中托卡马克装置则被认为是最有希望在未来取得突破的一种可控核聚变发电装置结构。而在托卡马克基础上研制的反场箍缩磁约束聚变实验装置(英文：Torus Experiment)则是这一领域的最新成果，美国在1999年投入使用的“国家球形环实验”装置是世界首个此类装置。今天，据中国科大新闻网报道，我国的KTX(中文简称“科大一环”)装置已经进入最后整体安装调试阶段。这一成果也许仍未改变“可控核聚变距离现在还有25年”的现状，但这意味着中国在这一领域与世界领先国家的差距又有缩小。在可控核聚变领域，中国和美国目前是世界上投入最大的两个国家，据公开报道，中国目前已知的大型核聚变实验装置已有16个，仅次于美国的28个，第三名俄罗斯为5个。 不过观察者网查询发现，合肥工业大学2014年的一篇论文(作者王浩，导师宋云涛、王松可)指出，反向场实验揭示了许多不同于托卡马克物理的有趣现象，有的与空间和天体等离子体有密切联系，如可能的发电机机制问题。但从实现聚变的角度看，反向场的进展不理想。达到的等离子体参数很低，密度也不高，比压只有较小的提高(与托卡马克相比)，而能量约束时间仅达毫秒量级。以最大的RFX装置为例，虽然该装置尚未在最高参数下运行，今后仍有提高等离子体参数的余地，但在目前已达到的参数下，等离子体总体参数明显
附件1 国家磁约束核聚变能发展研究专项 2014年项目申报指南和申报要求 一、项目指南 1. EAST内部部件实时检测、分析及快速更换关键技术 通过对三维磁场下粒子轨迹、以及与第一壁材料相互作用的模拟，预测可能的损伤和燃料滞留，发展在真空环境下对东方超环（EAST）内部部件表面形貌的实时监测、表面损失的实时分析、表面损伤小部件快速更换的方法、技术。实现在实验期间，等离子体放电中、放电间的实时测量，以及损伤小部件的智能快速更换。 2. HL-2M装置大功率低杂波系统技术研究 在中国环流器二号M装置（HL-2M）上建成2MW长脉冲低杂波系统，发展高功率相控阵列天线技术，高功率微波传输及测量技术，多管高压平衡与微波输出功率平衡以及快速保护技术。针对HL-2M装置放电特点，优化低杂波系统设计，实现低杂波与等离子体的高效耦合。重点在国内形成3.7GHz大功率微波部件的设计、加工和测试能力，接近或达到国际先进水平。
3. 支持远程参与的稳态先进控制和数据采集系统 针对EAST稳态运行发展新的动力学控制算法，实现先进等离子体位形（如雪花偏滤器位形）的控制，研究先进的支持远程参与和稳态高参数条件下的稳态等离子体控制技术并开展实验研究。发展未来跨洋海量数据的传输、储存、可视化和虚拟化技术，实现准实时的海量数据分析和存储；支持远程国际参与的实验和数据模拟；研究在大规模国际合作的环境中有效的数据存储和数据安全。 4. 聚变材料研究用小型高通量高能氘铍中子源关键问题 针对磁约束核聚变工程用材料的筛选与快速评估，开展小型高通量高能氘铍中子源关键技术研究，包括：通过对超导加速器的束流输运和系统耦合的研究，研制高效、稳定、低束流损失的低β超导加速模块；研制安全、稳定、可靠运转的新型铍靶系统，并探索新型的靶材料；对小型大通量高能氘铍中子源进行整体模拟研究和参数优化设计。 5. CFETR超导模型线圈的关键技术 针对中国聚变工程实验堆（CFETR）超导磁体的关键科学和技术问题，开展对模型线圈的设计与分析、绕制、热处理、绝缘等关键技术问题研究，完成模型线圈的研制。开展针对CFETR实验运行条件下大电流、高磁场变化率条件下的
一． 概述 众所周知，以一定速度进入均匀磁场中的带电粒子作螺旋线运动。进入非均匀磁场中的带电粒子将如何运动呢？现以典型的喇叭形磁场为例，用一种简明的方法进行分析，阐明了磁约束的基本原理及其在核聚变中的重要应用。 二． 带电粒子在喇叭形磁场中的运动 常见的典型的喇叭形磁场如图15-1所示。 为了方便起见，设图15-1示的磁场是关于Z 轴对称的空间缓变的；喇叭形磁场，它可用下表示 其中 为常数， 和 分别为柱坐标系中Z 轴和径向方向的单位矢量，a 是一个微小的参数，它表达了 随Z 和r 的缓慢变化。 电荷为q ，质量为m 的粒子以一定速度 （假定 之大小远小于真空中的光速） 进入图15-1所示的磁场中，它将如何运动呢？ 现将带电粒子的速度分解为平行于的纵向分量与垂直于的横向分量 。 带电粒子在 的z 分量 作用下，类似 于在均匀磁场中的带电粒子作螺旋线运动。但由于 随Z 增大而增强，其回旋
半径将逐渐减小，因此带电粒 子的轨道是一条会聚螺旋线，如图15-2 所示。 磁场的径向分量虽小，但对带电粒子的运动产生十分重要的作用，出现了十分有趣的特征。由径向磁场产生的洛仑兹力为： （2） 其中使带电粒子的横向速度之大小增加，因由 于的空间缓变,甚微，所以为圆柱坐标系中 方向的单位矢量）。 （2）式中第二项以表示，即： （3） (3)式所示之分力与方向相反，将使减小。可见磁场使带电粒 子的增加，减小。然而在稳定的磁场中运动的带电粒子的总动能是不变的。即： 常数（4） 从（4）式出发，由的变化可找出带电粒子横向速度的变化规律。今将（4）式对时间求导数得：（5） 其中
磁流体力学数值方法及其在磁约束聚变中的应用 （2018年7月16日-17日） 倪明玖研究员 中国科学院大学 本系列课程主要介绍求解三维不可压磁流体动力学问题的有限体积法，主要围绕磁约束聚变反应堆关键部件研发，介绍液态金属磁流体力学的计算方法及应用。课程内容主要包括： － 磁约束聚变反应堆关键部件研发涉及的液态金属磁流体力学的研究背景 － 不可压流体的Navier-Stokes方程，介绍投影法及源项的处理方法 － 磁流体力学的一种精确计算方法-相容守恒格式 － 自由界面MHD，固体颗粒两相流MHD，湍流MHD，介绍其基本算法及具体应用。 授课老师简介 倪明玖，1997年获西安交通大学博士学位，1999-2001年为日本京都大学JSPS（日本学术振兴会）博士后，2001-2007年在美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）从事磁约束聚变相关的磁流体力学研究，2007年起为中国科学院大学教授。曾获国家杰出青金科学基金和中国科学院“百人计划”支持，为磁约束聚变能专项项目首席，基金委重点基金项目负责人。研究方向：磁流体力学、计算流体力学、多相流传热、核聚变工程技术。
不可压磁流体动力学方程组的混合有限元方法 （2018年7月18日-21日） 郑伟英研究员 中国科学院数学与系统科学研究院 本系列课程主要介绍求解三维不可压磁流体动力学方程组的混合有限元方法及高效求解算法，重点关注有限元方法的守恒型和求解算法的最优性。课程内容主要包括： － Stokes 方程和不可压 Navier-Stokes 方程的有限元方法； － 无感应磁流体方程组的电荷守恒型有限元方法； － 完整磁流体方程组的质量、磁通守恒有限元方法； － 基于算子预处理，设计离散问题的高效求解算法。 授课老师简介 郑伟英，研究员，1996年和1999年于郑州大学分别获数学学士、硕士学位；2002年于北京大学获计算数学博士学位，2002.7-2004.6年为中科院数学与系统科学研究院博士后；2006.11—2007.12为德国慕尼黑科技大学（TUM）洪堡基金访问学者；2004年6月以来在中科院数学与系统科学研究院工作至今；现任研究员，“科学与工程计算国家重点实验室”副主任；2017年获国家杰出青年科学基金资助。主要从事复杂介质电磁场问题、不可压磁流体问题的算法研究与并行程序研制，曾在大型变压器的可计算建模、分层介质电磁散射问题的完美匹配层方法、三维磁流体的守恒型有限元方法等方向取得重要进展。
1 前言 能源是社会发展的基础，化石燃料不仅储量有限，而且会造成严重的生态环境破坏和污染，预期200多年后，人类将面临严重的能源枯竭问题，因此，必须尽快完成战略新能源的开发研究。在一系列的新能源中，核聚变能是最理想的清洁新能源。 核聚变反应包括氘氚反应、氘氦反应、氢硼反应等，其中氘氚反应在地球上最易实现，因其反应资源存在于海水中，一旦实现受控热核聚变，海水将成为人类取之不尽用之不竭的资源。这需要氘或氚，在一定条件下(如超高温和高压)让核外电子摆脱原子核的束缚，让两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核(如氦)，中子虽然质量比较大，但是由于中子不带电，因此也能够在这个碰撞过程中逃离原子核的束缚而释放出来，大量电子和中子的释放所表现出来的就是巨大的能量释放。 2 惯性约束聚变装置简介 现有的可控核聚变约束手段主要有两种，一种是惯性约束，一种是磁约束。惯性约束是指利用粒子的惯性作用来约束粒子本身，从而实现核聚变反应的一种方法。其基本思想是:利用驱动器提供的能量使靶丸中的核聚变燃料(氘、氚)形成等离子体，在这些等离子体粒子由于自身惯性作用还来不及向四周飞散的极短时间内，通过向心爆聚被压缩到高温、高密度状态，从而发生核聚变反应。该项研究主要在美国的国家点火装置（NIF），中国的神光-Ⅲ主机装置，如图1所示。 (a)
(b) 图1 (a)国家点火装置 (b)神光-Ⅲ主机装置 美国的国家点火装置位于加利福尼亚州的利弗莫尔国家实验室，在过去的一段时间里，其工作人员一直致力于将192束激光集中于一个花生米大小的、装有氢粒子的目标上。当能量为500太瓦的激光撞击到装有氢粒子的目标上后，会产生X光粒子，使得重氢原子和超重氢原子产生聚变，这种聚变使得少量物质转变为巨大能量。但由于技术问题，该项目在2012年末将工作重点由聚变能研究领域重新转回到核武器试验上。 我国的“神光-Ⅲ主机装置”，已在2015年由中物院基本建成。作为亚洲最大，世界第二大激光装置，神光-Ⅲ主机装置共有48束激光，总输出能量为18万焦耳，峰值功率高达60万亿瓦。 3 磁约束聚变装置简介 磁约束聚变是指用特殊形态的磁场把氘、氚等轻原子核和自由电子组成的、处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限的体积内，使它受控制地发生大量的原子核聚变反应，释放出能量。 自上个世纪60年代中期以来，各国科学家先后建成的磁约束装置包括托卡马克、仿星器、反场箍缩、磁镜、多级场等。 3.1 托卡马克 托卡马克，是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字Tokamak 来源于环形、真空室、磁、线圈，最初是由位于前苏联莫斯科的库尔
国家磁约束核聚变能发展研究专项 2019年度项目申报指南 （征求意见稿） 聚变能源由于资源丰富和近无污染，成为人类社会未来的理想能源，是最有希望彻底解决能源问题的根本出路之一，对于我国经济、社会的可持续发展具有重要的战略意义，是关系长远发展的基础前沿领域。 本专项总体目标是：在“十三五”期间，以未来建堆所涉及的国际前沿科学和技术目标为努力方向，加强国内与“国际热核聚变实验堆”（ITER）计划相关的聚变能源技术研究和创新，发展聚变能源开发和应用的关键技术，以参加ITER计划为契机，全面消化吸收关键技术；加快国内聚变发展，开展高水平的科学研究；以我为主开展中国聚变工程试验堆（CFETR）的详细工程设计，并结合以往的物理设计数据库在我国的“东方超环”（EAST）、“中国环流器2号改进型”（HL-2M）托卡马克装置上开展与CFETR物理相关的验证性实验，为CFETR的建设奠定坚实科学基础。加大聚变技术在国民经济中的应用，大力提升我国聚变能发展研究的自主创新能力，培养并形成一支稳定的高水平聚变研发队伍。
2019年，本专项将以聚变堆未来科学研究为目标，加快国内聚变发展，重点支持高水平的科学研究、理论与数值模拟研究、CFETR关键技术预研及聚变堆材料研发等工作，继续推动我国磁约束核聚变能的基础与应用研究。 按照分步实施、重点突出原则，2019年拟优先支持14个方向，国拨总经费4.0亿元。指南方向1~10，每个指南方向拟支持1~2个项目。指南方向11~14支持35岁以下青年科学家开展相关研究，每个指南方向拟支持5个项目。 本专项的项目执行期一般为5年。原则上所有项目应整体申报。指南方向1~10项目须覆盖相应指南研究方向的全部考核指标，下设课题数不超过4个，每个项目所含单位数不超过6个。指南方向11~14的项目下不设课题。 对于指南方向1~10，原则上只立1项，仅在申报项目评审结果相近、技术路线明显不同的情况下，可同时支持2个项目，并建立动态调整机制，根据中期评估结果确定后续支持方式。 申报单位根据指南支持方向，面向解决重大科学问题、突破关键技术及建立规模化资源共享平台进行整体设计、合理安排课题；项目负责人应具备较强的组织管理能力。 1.面向聚变堆高比压放电破裂预警、控制与缓解研究 研究内容：针对未来ITER、CFETR运行模式，依托HL-2A/M和EAST装置，在高性能等离子体（ N>2.8）和
I C S27.120.01 F40 中华人民共和国国家标准 G B/T4960.9 2013 核科学技术术语 第9部分:磁约束核聚变 G l o s s a r y o f n u c l e a r s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y t e r m s P a r t9:M a g n e t i c c o n f i n e m e n t f u s i o n 2013-02-07发布2013-07-01实施中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
目次 …………………………………………………………………………………………………………前言Ⅲ1范围1………………………………………………………………………………………………………2磁约束核聚变1……………………………………………………………………………………………2.1基础1 …………………………………………………………………………………………………2.2工程27 …………………………………………………………………………………………………2.3诊断40 …………………………………………………………………………………………………2.4聚变堆43 ……………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………索引49汉语拼音索引49……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………英文对应词索引63
13SP02340600 《核工程概论及实践》 课程设计 核聚变装置原理及结构梳理 学号 姓名 院系 专业 完成日期 设计类型 得分
摘要 核聚变作为正在研究中的新能源，除了托卡马克装置以外还有包括仿星器、磁镜、反向箍缩和球马克在内的其它磁性约束装置；此外还有激光点火的惯性约束方案。本文主要介绍以上方案的原理和装置结构，由于接触时间有限，不对相关技术进行评价。 关键词：核聚变；托卡马克；仿星器；磁镜；反向箍缩；惯性约束
目录 摘要 ................................................................................................................................................... I 第一章托卡马克装置结构及原理. (1) 1.1约束的含义 (1) 1.2 托卡马克中磁约束的基本原理 (1) 1.3托卡马克系统的结构 (2) 1.4 本章小结 (4) 第二章其他磁性约束方式 (5) 2.1 仿星器 (5) 2.2 磁镜 (5) 2.3 反向箍缩 (6) 2.4 本章小结 (6) 第三章惯性约束方式原理 (7) 3.1 惯性约束的原理和实现 (7) 3.1.1 惯性约束的原理 (7) 3.1.2 实现手段 (7) 3.2 惯性约束聚变堆方案 (8) 3.3 本章小结 (8) 参考文献 (9)
第一章托卡马克装置结构及原理 托卡马克装置作为上世纪六、七十年代以来一直占据核聚变研究中心的聚变装置，目前在所有方案中取得的成果最为突出，如等离子体温度最高，（脉冲）功率最大，最先实现全超导等等，当然这得益于许多科学家的奉献和更多资金的投入。总的来说，尽管所有方案离商用发电都很遥远，但托卡马克是目前来看最有前途的聚变装置。 1.1约束的含义 核聚变必须使聚变材料的温度、密度和这种高温高压状态维持的时间（约束时间）的乘积满足劳森判据才能实现。 由于核聚变反应温度超高，即使最容易的氚-氘反应也要求反应温度大于5000万度才能大量进行；此时的核材料呈现为物质第四态——等离子态。 图1-1 日冕中的等离子体 等离子体是宇宙中很常见的物质形态，如太阳就是有等离子态的物质组成的，只不过如图1-1中日冕中等离子体温度为几千度，而聚变堆中由于体积限制，要求温度达到上亿度。 为了维持这类极高温的等离子体不消散掉，就需要各种各样非接触式的方法。首先想到的方法就是利用电磁场来约束带电的等离子体，而第二种方法则利用激光推动核材料聚集。 1.2 托卡马克中磁约束的基本原理 图1-2是ITER项目公布的托卡马克设计图，可以看到反应腔内等离子体截
南昌大学实验报告 磁约束核聚变装置控制虚拟仿真实验报告 一、实验目的 （1）理解磁约束核聚变的基本原理； （2）熟悉托克马克实验装置控制的一般操作流程； （3）了解托克马克实验装置的一般平衡磁场位型、等离子体密度分布和温度分布的特征图像； （4）了解托克马克实验装置L 、H 模式下等离子体的密度和温度分布区别。 二、实验仪器 磁约束核聚变装置控制虚拟仿真实验系统：主要包括NCST 装置（南昌大学球马克实验装置模型）、抽真空系统、中央控制系统、电源系统、加料系统、磁场电源控制器、等离子体加热系统、磁场诊断探针、激光汤姆逊散射诊断系统、诊断数据采集器、数据处理系统等软件操作模块。 三、实验原理 托卡马克是一环形装置。欧姆线圈的电流变化提供产生、建立和维持等离子体电流所需要的伏秒数；极向场线圈产生的极向磁场控制等离子体截面形状和位置平衡；环向场线圈产生的环向磁场保证等离子体的宏观整体稳定性；环向磁场与等离子体电流产生的极向磁场一起构成磁力线旋转变换的和磁面结构嵌套的磁场位形来约束等离子体。在托卡马克装置上，已可通过大功率中性束注入加热和各种微波加热使等离子体达到和超过氘一氚有效燃烧所需的温度(>10K)。研究表明加大装置尺寸，约束时间大致按尺寸的平方增大。此外，还可通过提高环向磁场、优化约束位形和运行模式来提高能量约束时间。 高温等离子体被约束在不与真空室壁相碰的位置上，在约束过程中存在大量不稳定性、热传导损失和辐射损失等，在约束控制过程中需要不断诊断等离子体参数，抑制各种导致等离子体破裂的不稳定性发展，同时通过各种辅助加热使反应堆的输入和输出整体功率平衡，满足等离子体的点火条件，即著名的劳森判据： 2032210/E E p n T sK m ττ=≥?， （1） 才能实现等离子体的自持燃烧，其中n 和T 分别为约束等离子体密度和温度，E τ为等离子体能量约束时间，即等离子体能量由于热传导下降到1 e -的弛豫时间。从点火条件可知，T 的最小值和相应的E p τ值为：
惯性约束核聚变原理与反应堆技术 1.惯性约束基本原理 核能可分为裂变能与聚变能。目前，核电站通过受控释放裂变能实现发电，而受控核聚变仍处于研究阶段。实现受控核聚变反应主要有两种途径：磁约束和惯性约束。后者即以下内容讨论的主题。 惯性约束（ICF），即利用高能驱动器在极短时间内将聚变燃料小球（靶丸）加热压缩到高温、高密，使之在中心“点火”，实现受控核聚变。以氢弹的爆炸为例，位于其中心的原子弹的爆炸在极短时间内将氢弹中的热核装料迅速加热和压缩到高温、高密，引起燃料的聚变燃烧。由于这一过程非常短暂，在燃料膨胀但因自身惯性还没有来得及飞散之前，聚变反应就已经发生。这种未对燃料等离子体采取任何约束措施，只依靠本身惯性保持顺利完成核聚变就是惯性约束核聚变。但氢弹的爆炸是不可控的，激光器代替原子弹点燃热核反应使ICF成为可控核聚变。 激光的能量能在时间和空间上进行高度的集中，因此能在焦点上得到非常高的功率密度。现在惯性约束核聚变研究所用的激光器多数是钕玻璃激光器。而粒子束作为惯性约束核聚变的驱动器，原理与激光一样，只不过它是以粒子束来代替激光。所以想采用粒子束，是因为它的能量转换效率比之激光要高出一个量级。 2.反应堆相关 （1）能量流程 该系统中，假设驱动器输出的能量为E D，其效率为ηD，它通过反应室壁上的入射通道击中靶丸。靶丸聚变反应，产生相当于驱动束能Q倍的能量E f。再经反应室增值层的能量倍增（增值系数为M），并以热能的形式输出。发电机的热点转换效率为ηT，发电机发出的毛电能为E g，其中一部分输入电网，另一部分再循环。整个反应堆系统的效率为ηs，其定义为： ηs=纯电能输出/聚变反应的热能输出 系统效率可表示为： ηs=E g（1-ε）/ME f=ηT（1-ε）[(MQ+1)E D+γ(1/ηD-1) E D]/ME f （2）ICF聚变堆涉及的问题 1> 从理论上了解靶丸的能量吸收、反射、能量输运、压缩、不稳定性、点火和聚变燃烧等物理学。 2> 实验上获得高能量增益的关键因素的满意值。 3> 研制出高能量、高重复率、适当的脉冲形状、短波长和高效率的驱动器。 4> 制造出稳定的、精确的、廉价的、自动化的高增益靶丸生产系统。而且靶材料的选择要避免产生长寿命的放射性同位素。 5> 必须有一个经得起重复爆炸而不至于损坏的反应室（堆腔）。此堆腔能够吸收热核反应的产物——中子、X射线和靶丸碎片等的能量。它还能利用14MeV的中子去增值氚，以维持D-T反应中氚的消耗。 6> 要有一个靶丸的注入、导向和检测系统，确保靶丸以1~10Hz的频率注入反应室，而且当靶丸飞经驱动器的公共焦点时，驱动器发火，准确将靶丸击中。7> 要有一个泵浦系统。为避免入射的驱动束受到散射或衰减，该泵浦系统能在两次爆炸之间迅速地将反应室中的靶丸碎片和废气排出，使反应室重新恢复到新
核能的现状与未来 摘要：核能作为清洁能源，引起人们广泛关注。本文就核能的现状和未来进行了论述，并重点讲述了核聚变研究的进展。 关键词：核能；核聚变； Present situation and future of nuclear power (College of power engineering，Chongqing University，Chongqing400044，China) Abstract：as a clean energy, Nuclear power is widely attention. This paper discussed the present and future of nuclear power , and focused on the research progress of nuclear fusion. Keywords : Nuclear power; nuclear fusion; 0 引言 能源短缺和环境恶化是21 世纪人类社会共同面临的两大难题, 此外, 我国能源还存在“人均资源占有量偏低”和“能源结构不合理”两大矛盾。“能源安全”已经成为我国的核心安全问题之一。考虑到煤、石油、天然气等化石能源最终将枯竭，而水力、太阳能、风能、潮汐和地热等能源受地域、环境和气候制约, 难以成为化石燃料的替代能源, 发展低碳经济和开发新的低碳的替代能源成为了本世纪世界范围的重大课题。 作为低碳能源，核能引起人们广泛关注。核能分为核裂变能和核聚变能，重原子核( 如铀和钚) 分裂时释放的能量为核裂变能, 轻原子核( 如氘和氚) 聚合时释放的能量为核聚变能。 1 核能的现状 根据国际原子能机构(IAEA)的最新统计，截至2007年8月22日，全世界共有439台核电机组正在运行，另外还有30座反应堆系统正在建造中。核电总装机容量达到近372 GW，满足了世界约16％和经合组织(OECD)国家25％的电力需求。由于政治经济等诸多因素，当前西方国家的核电发展总体趋缓，核电在近期和远期的发展均集中在亚洲。截至2007年8月22日，在全世界30座在建反应堆中，有17座在亚洲。在最近并人电网的35座反应堆中，有24座在亚洲。但这并不是说西方国家在核能利用上已停步不前。事实上他们在大力发展核电新技术、积极开发新一代核电站方面是非常活跃的，其中尤以美国为代表，不仅开发了第三代核电技术，而且还领导了第四代核电技术的研发。 自从20世纪50年代核电站诞生以来，世界核电建设经历了三个阶段：实验示范阶段(1965年以前)、高速推广阶段(1966～1980年)和滞缓发展阶段(1981年至今)。开发了三代核反应堆，第一代反应堆以原型堆的形式在50、60年代投入应用；第二代反应堆以大型商业化核电站的形式在70年代出现并运行至今，包括美国、欧洲和日本的压水堆(PWR)与沸水堆(BWR)以及俄罗斯的轻水堆(WWER)和加拿大开发的坎杜重水堆(CANDU)，第二代反应堆已经在经济和环境等方面验证了核电的安全性能和竞争力；第三代反应堆发展于9O年代，包括有美国研发的先进沸水堆(ABWR)、改进式先进压水堆(System 80+)和非能动先进压水堆(AP1000)，以及法国推出的欧洲先进压水(EPR)。第三代反应堆将安全作为首要参考因素，主要目标是进一步提高第二代反应堆的安全性。此外，第四代反应堆的研究工作也已经逐步展开，这一代反应堆是未来的革命性反应堆系统，反应堆和燃料循环都将有重大革新和发展。 2 核能的未来—核聚变