学年论文
核聚变——未来的新能源
班级：08113
学号：27
姓名：宋广佳
指导教师：姚大力
核聚变——未来的新能源
0811327 宋广佳
【摘要】：氢弹应用的正是聚变原理，这是人类利用核聚变能的首次成功尝试。两个氢原子合为一个氦原子，叫核聚变，太阳就因此释放出巨大能量。核聚变产生的能量比核裂变还要多，而其辐射却要少得多，而且核聚变燃料可以说是取之不尽、用之不竭的。
关键词：核聚变未来新能源国际合作项目研究
能源是社会发展的基石。古人伐木为薪，后来柴薪逐渐被煤、石油、天然气等化石燃料取代。而今，化石能源面临“危机”，同时又对环境造成严重污染。以煤炭、石油、天然气等化石能源替代柴薪的第一次能源革命，带来了社会、经济的迅速发展。然而这些宝贵的化石能源是不可再生的，据估计，100年后地球上的化石能源将会枯竭。面对即将来临的能源危机，人类开始寻找新能源。回顾人类发展的历史，每一次高效能新能源的利用，都会使社会进入一个新的时代，带来一次新的飞跃。新能源的开发是社会发展的重要基础。
能源分为一次能源和二次能源，化石能源、太阳能、风能、地热能、核能、潮汐能等为一次能源，而焦煤、蒸汽、液化气、酒精、汽油、电能为二次能源。其次，按利用状况，可分为常规能源和新能源。前者是指在不同历史时期的科技发展水平下已被广泛应用的能源，现阶段指煤、石油、天然气、水能和核裂变能五种；后者指由于技术、经济或能源品质等因素而未能大规模使用的能源，如太阳能、风能、海洋能、地热能等。为了社会的稳定发展，人们正在利用高新科学技术开发新的能源。从长远来看，核能将是继石油、煤和天然气之后的主要能源，人类将从“石油文明”走向“核能文明”。原子弹、氢弹的爆炸，使人们认识到原子核内蕴藏着巨大的能量，核电站正是合理利用核能的一个途径。而今，太阳能、地热能、海洋能、生物能等各种新能源也正在开发过程中。日本政府于1993年就提出旨在开发利用新能源的“新阳光计划”，每年都要为新能源技术开发拨款约362亿日元。日本新能源利用的目标是，到2008年争取使新能源在一次能源中所占的比重由目前的1%提高到3%。美国《国家综合能源战略》确定的新能源开发利用目标是，发展先进的可再生能源技术，开发非常规的甲烷资源，发展氢能的储存、分配和转化技术。
为什么太阳能源源不断地向外释放能量，好像永远不会枯竭？这个疑问直到爱因斯坦提出了狭义相对论才有了答案。在极高的温度下，太阳物质发生核聚变反应，释放出巨大的聚变能，其中极小一部分来到地球，成为地球一切生命和能源之源。
一、什么叫核聚变
世界上的每一种物质都处于不稳定状态，有时会分裂或合成，变成另外的物质。物质无论是分裂还是合成，都伴随着能量的转移过程。大家熟知的原子弹利用的则是裂变原理，目前的核电站也是利用核裂变来发电的。核裂变虽然能产生巨大能量，但裂变堆的核燃料蕴藏极为有限，不仅其强大辐射会伤害人体，而且废料也很难处理，可能遗害千年。1946年，第一颗原子弹在广岛上空引爆，此后不久，氢弹爆炸又获得成功。氢弹应用的正是聚变原理，这是人类利用核聚变能的首次成功尝试。两个氢原子合为一个氦原子，叫核聚变，太阳就因此释放出巨大能量。核聚变产生的能量比核裂变还要多，而其辐射却要少得多，而且核聚变燃料可以说是取之不尽、用之不竭的。氢弹威力无比，却无法控制，一旦释放就无法挽回。是否可以控制聚变能，使之缓慢释放，造福人类呢？
受控热核聚变反应类似太阳发光发热的过程，主要是氢的同位素氘和氚的原子核发生聚变反应产生能量，因此也被形象地称为“人造太阳”。核聚变较核裂变有两大优点。一是地球上蕴藏的核聚变能远比核裂变能丰富。据测算，每升海水含有0.03克氘，所以地球上仅在海水中就有45万亿吨氘。氘的发热量相当于同等煤的2000万倍，1升海水所含氘经过核聚变，就可提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量。地球上蕴藏的核聚变能约为核裂变能的1000万倍。至于氚，虽然自然界中不存在，但靠中子同锂作用可以产生，而海水中也含有大量锂。英国的一位学者曾做了个比喻，用一浴缸海水提取出的氘和一台个人电脑中的锂元素做原料，通过核聚变产生的能源足够一个人使用一辈子。把海水通过核聚变转化为能源，按目前世界能源消耗水平，可供人类用上亿年。锂是核聚变实现纯氘反应的过渡性辅助“燃料”，地球上的锂足够用1万-2万年，我国羌塘高原锂矿储量占世界的一半，所以我国发展核聚变发电有着得天独厚的地理条件。第二个优点是既干净又安全。因为核聚变既不会产生污染环境的放射性物质，又不释放造成温室效应的气体，且不产生核废料，所以是干净的。同时受控核聚变反应可在稀薄的气体中持续地稳定进行，所以又是安全的。
20世纪40年代，人类通过重金属元素铀或钚的原子核分裂释放能量的原理，制造出原子弹，又找到了控制裂变、持续释放能量的方法，建造了核电站，实现了核能的和平利用。但是裂变核电站的原料是铀235，不仅它在地球上的含量极其有限，而且存在放射性核废料的处理问题。利用核裂变发电，人们最担心的是它的安全性。核能利用的安全性，主要有两方面：一是核废料的处理，二是保证核反应堆安全运行不发生事故。受控热核聚变反应是用氢的同位素氘、氚实现聚变反应的，是地球上最易实现的聚变反应。但是要想和平利用聚变能，就必须掌握持续安全释放能量的技术，而这项技术的推进则困难重重。核聚变的第一步是要使燃料处于等离子体态。等离子体是一种充分电离的、整体呈电中性的气体。在等离子体中，由于高温，电子已获得足够的能量摆脱原子核的束缚，原子核完全裸露，为核子的碰撞准备了条件。当等离子体的温度达到几千万度甚至几亿度时，原子核可以克服斥力聚合在一起，如果同时还有足够的密度和足够长的热能约束时间，这种聚变反应就可以稳定地持续进行。科学家劳逊早期就作了核聚变等离子体中的能量平衡计算。设等离子体密度为N，加热到温度T，该高温等离子体维持时间为τ，要实现热核聚变反应，必须满足NτT三项乘积（称“聚变三重积”）大于5×10^21m^-3·s·keV。也就是等离子体的“聚变三重积”达到10^22时，聚变反应输出的功率等于为驱动聚变反应而输入的功率，必须超过这一基本值，聚变反应才能自持进行。由于三重积的苛刻要求，受控核聚变的实现极其艰难，真正建造商用聚变堆要到21世纪中叶。
作为21世纪理想的换代新能源，核聚变的研究和发展对中国和亚洲等能源需求巨大、化石燃料资源不足的发展中国家和地区具有特别重要的战略意义。科学家已开始大规模投入到受控核聚变的可行性研究中，核聚变技术面临着三大难题：一是温度，怎样把气体加热到几亿度，以克服带正电荷离子之间的库仑斥力，这是首要难点；二是如何不让气体跑掉，温度超过万度、密度足够大的气体不能用任何材料制成的容器约束而不致飞散；而第三个难点是如要核聚变持续进行，就要维持长时间的高温，并提高磁笼约束能量的能力。当然，除了这三个核心问题，其他的科学和工程上的难题还数不胜数。
二、受控热核聚变研究
核聚变反应需要几亿度的高温，要达到如此苛刻的条件谈何容易，任何材料做的容器都承受不住这样的高温。那用什么容器呢？用磁约束，即用闭合磁力线组成的“磁笼”来约束，科学家设计了一个类似汽车轮胎形状的容器，上面加上强大的磁场，原子核在磁场的约束下在环中高速运动，发生碰撞、聚合。虽然原子核的温度很高，但在磁场的约束下只在环中心运动，离容器壁很远，容器壁的温度就没那么高了。
目前实现核聚变已有不少方法。最早的著名方法是“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上述三个条件。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。
1991年11月9日17时21分，物理学家用欧洲联合环形聚变反应堆在1.8秒钟里再造“太阳”，首次实现受控热核聚变反应，温度高达2×10^8℃，为太阳内部温度的10倍，产生了近2兆瓦的电能，从而使获得充足、无污染核能的科学梦想向现实大大前进了一步。20世纪70年代以来，通过世界各国科学家和核工程技术人员的不懈努力，核聚变燃料已能加热到2亿～4亿度的高温。在日本最大的托卡马克JT-60U上表征聚变反应率的最重要参数——聚变三重积已达1.5×10^21m^-3·s·keV。这一重要参数在过去20年内已提高10000倍，目前离聚变堆的要求仅仅还差约20倍。
激光技术的发展，使可控核聚变的“点火”难题有了解决的可能。目前，世界上最大激光输出功率达100万亿瓦，足以“点燃”核聚变。除激光外，利用超高额微波加热法，也可达到“点火”温度。世界上不少国家都在积极研究受控热核反应的理论和技术，美国、俄罗斯、日本和西欧国家已经取得可喜的进展。
另一种实现核聚变的方法是惯性约束法。惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体，装入直径约几毫米的小球内。从外面均匀射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸发，受它的反作用，球面内层向内挤压（反作用力是一种惯性力，靠它使气体约束，所以称为惯性约束），就像喷气式飞机往后喷气体推动飞机向前飞一样，小球内的气体受挤压后压力升高，并伴随着温度的急剧升高。当温度达到所需的点火温度（大约几十亿度）时，小球内气体便发生爆炸，并产生大量热能。这种爆炸过程时间很短，只有几个皮秒（1皮等于1/10^12）。如每秒钟发生三四次这样的爆炸并且连续不断地进行下去，所释放的能量就相当于百万千瓦级的发电站。原理虽然简单，但是现有的激光束或粒子束所能达到的功率，还与此相差几十倍、甚至几百倍，加上其他种种技术上的问题，使惯性约束核聚变仍是可望而不可及的。
尽管实现受控热核聚变仍然漫长艰难，真正实现商用还要几十年的时间，但其美好前景正吸引各国科学家孜孜不倦地进行研究。
2002年新春，中科院等离子体所进行了一次长达数十天的实验。实现电子温度超过500万度、中心密度大于每立方米1.0×10^19、长达20秒可重复的高温等离子体放电；实现了电子温度超过1000万度、中心密度大于每立方米1.2×10^19、长达10秒的高参数等离子体放电。虽然这些数据烦琐而深奥，但它却与我们的未来生活息息相关，表明我们朝着使用核聚变能的目标又迈进了一步。超导托卡马克利用环形超导磁场，对等离子体进行加热、约束，创造产生聚变的可控物理条件。HT-7超导托卡马克由中科院等离子体所于1994年建成，1995年投入运行。该装置面向国际前沿，一直以先进运行模式、高参数稳态运行这两大对未来聚变反应堆有重大意义的课题所涉及的科学问题为研究主线，不断取得物理与工程两方面的重要进展，其中不乏原创性研究成果。在最近这轮实验中找到了影响等离子体约束和输运的带状流（ZonalFlow)存在的直接实验证据，观察到了由电子漂移波驱动的电子温度梯度模，这些实验结果可能会对深入理解等离子体约束和输运这一物理难题产生重要影响。科学家利用低杂波的电流驱动实现了对托卡马克加热场的关断，并维持等离子体放电达28秒，这一成果对未来简化聚变反应堆工程有重大意义。前不久，中科院等离子体所自行研制的全超导托卡马克EAST核聚变实验装置已经成功调试并初步放电。由于它与国际热核聚变实验反应堆（ITER）有相似的位形，其运行将为国际热核计划的前期研发做出贡献。EAST 国际顾问委员会成员们对EAST工程的建设、系统改进、今后的实验计划和研究等进行了深入讨论，盛赞EAST装置的成功建设，认为这是全世界聚变能开发的杰出成就和重要里
程碑。高功率加热、电流驱动和更完善的诊断是EAST未来深入研究计划所必须的。这些计划一旦实现，EAST将会在发展稳态高性能等离子体物理的科学研究计划中处于世界前沿地位，进而为支持ITER核聚变能发展做出贡献。
三、大型国际科技合作项目——ITER计划
1985年，在美、苏首脑的倡议和国际原子能机构（简称IAEA）的支持下，一项重大国际科技合作计划——“国际热核聚变实验反应堆（简称ITER）”得以确立，其目标是要建造一个可自持燃烧（即“点火”）的托卡马克聚变实验堆，验证聚变反应堆的工程可行性，聚变输出功率可达1500兆瓦。ITER的目的就是为了验证利用核聚变技术发电的可行性。
与国际空间站研究、欧洲加速器、人类基因组测序等项目一样，ITER计划也是一个大型的国际科技合作项目。由于该计划十分接近商用，其成功实施有望为人类开发新一代战略能源，因此意义和影响十分重大。它将是人类第一次在地球上获得的持续有大量核聚变反应的反应堆。反应堆功率达50万千瓦、相当于一个小型热电站。整个体系还包括大型供电系统、大型供水系统、大型高真空系统等，而且综合了当今世界各个领域的一些顶尖技术，比如大型超导磁体技术、复杂的远程控制技术等。
科学家预计，如果试验顺利，到2035年将开始建设第一个示范性核聚变发电站，到2055年左右完成商业核聚变发电站的建设。到本世纪中叶，通过受控核聚变获得永不枯竭能源的愿望将可能实现。
四、物理学与人类未来新能源
在现代社会进步的历程中，基础性很强的物理学与应用性很强的工程技术之间，存在着紧密联系——物理学对许多工程技术领域的开创起着先导、引领作用；工程技术不仅直接创造生产力，而且反过来开拓、深化物理学研究，而能源工程与物理学的关系就具有代表性。1905年，爱因斯坦提出狭义相对论及其著名的质能关系表达公式E=mc^2，开创了原子核物理和核能应用的新时代，这亦是人类未来新能源科学研究的开端。19世纪末，科学家相继发现了X射线、放射性和电子。此后的公元1911年，卢瑟福提出了原子的核式模型；1913年，玻尔完善了原子结构理论；1932年，查德威克发现了中子、海森堡和伊凡宁柯分别独立提出了原子核由质子和中子组成的模型；人类在对核结构和质量的研究中认为到这样一个规律——原子核结合能随原子量变化：一个重核分裂成两个中等质量的核时，会释放能量；某些轻核聚合成一个较重核时，会释放能量，而且一次核聚变放出的能量要比核裂变大4倍以上。在突破了核武器技术之后，人类开始将核能引向和平利用方向——作为洁净能源造福人类。目前，已做出实际贡献的核能是基于核裂变反应堆的核电站；在世界电力结构中，核电已占总电力的16%。其中，法国核电已占其总电力的70%；目前我国核电仅占总电力的1%，2020年将达到约4%。基于核聚变反应堆的聚变电站，有可能成为人类的终极能源，估计在50年之后，受控核聚变才能开始作为清洁能源使用。对于我国能源可持续发展，物理学的应用无疑可以做出重要贡献。
学年论文 核聚变——未来的新能源 班级：08113 学号：27 姓名：宋广佳 指导教师：姚大力
核聚变——未来的新能源 0811327 宋广佳 【摘要】：氢弹应用的正是聚变原理，这是人类利用核聚变能的首次成功尝试。两个氢原子合为一个氦原子，叫核聚变，太阳就因此释放出巨大能量。核聚变产生的能量比核裂变还要多，而其辐射却要少得多，而且核聚变燃料可以说是取之不尽、用之不竭的。 关键词：核聚变未来新能源国际合作项目研究 能源是社会发展的基石。古人伐木为薪，后来柴薪逐渐被煤、石油、天然气等化石燃料取代。而今，化石能源面临“危机”，同时又对环境造成严重污染。以煤炭、石油、天然气等化石能源替代柴薪的第一次能源革命，带来了社会、经济的迅速发展。然而这些宝贵的化石能源是不可再生的，据估计，100年后地球上的化石能源将会枯竭。面对即将来临的能源危机，人类开始寻找新能源。回顾人类发展的历史，每一次高效能新能源的利用，都会使社会进入一个新的时代，带来一次新的飞跃。新能源的开发是社会发展的重要基础。 能源分为一次能源和二次能源，化石能源、太阳能、风能、地热能、核能、潮汐能等为一次能源，而焦煤、蒸汽、液化气、酒精、汽油、电能为二次能源。其次，按利用状况，可分为常规能源和新能源。前者是指在不同历史时期的科技发展水平下已被广泛应用的能源，现阶段指煤、石油、天然气、水能和核裂变能五种；后者指由于技术、经济或能源品质等因素而未能大规模使用的能源，如太阳能、风能、海洋能、地热能等。为了社会的稳定发展，人们正在利用高新科学技术开发新的能源。从长远来看，核能将是继石油、煤和天然气之后的主要能源，人类将从“石油文明”走向“核能文明”。原子弹、氢弹的爆炸，使人们认识到原子核内蕴藏着巨大的能量，核电站正是合理利用核能的一个途径。而今，太阳能、地热能、海洋能、生物能等各种新能源也正在开发过程中。日本政府于1993年就提出旨在开发利用新能源的“新阳光计划”，每年都要为新能源技术开发拨款约362亿日元。日本新能源利用的目标是，到2008年争取使新能源在一次能源中所占的比重由目前的1%提高到3%。美国《国家综合能源战略》确定的新能源开发利用目标是，发展先进的可再生能源技术，开发非常规的甲烷资源，发展氢能的储存、分配和转化技术。 为什么太阳能源源不断地向外释放能量，好像永远不会枯竭？这个疑问直到爱因斯坦提出了狭义相对论才有了答案。在极高的温度下，太阳物质发生核聚变反应，释放出巨大的聚变能，其中极小一部分来到地球，成为地球一切生命和能源之源。 一、什么叫核聚变 世界上的每一种物质都处于不稳定状态，有时会分裂或合成，变成另外的物质。物质无论是分裂还是合成，都伴随着能量的转移过程。大家熟知的原子弹利用的则是裂变原理，目前的核电站也是利用核裂变来发电的。核裂变虽然能产生巨大能量，但裂变堆的核燃料蕴藏极为有限，不仅其强大辐射会伤害人体，而且废料也很难处理，可能遗害千年。1946年，第一颗原子弹在广岛上空引爆，此后不久，氢弹爆炸又获得成功。氢弹应用的正是聚变原理，这是人类利用核聚变能的首次成功尝试。两个氢原子合为一个氦原子，叫核聚变，太阳就因此释放出巨大能量。核聚变产生的能量比核裂变还要多，而其辐射却要少得多，而且核聚变燃料可以说是取之不尽、用之不竭的。氢弹威力无比，却无法控制，一旦释放就无法挽回。是否可以控制聚变能，使之缓慢释放，造福人类呢？
核聚变反应堆的原理很简单，只不过对于人类当前的技术水准，实现起来具有相当大的难度。 物质由分子构成，分子由原子构成，原子中的原子核又由质子和中子构成，原子核外包覆与质子数量相等的电子。质子带正电，中子不带电。电子受原子核中正电的吸引，在"轨道"上围绕原子核旋转。不同元素的电子、质子数量也不同，如氢和氢同位素只有1个质子和1个电子，铀是天然元素中最重的原子，有92个质子和92个电子。 核聚变是指由质量轻的原子（主要是指氢的同位素氘和氚）在超高温条件下，发生原子核互相聚合作用，生成较重的原子核（氦），并释放出巨大的能量。1千克氘全部聚变释放的能量相当11000吨煤炭。其实，利用轻核聚变原理，人类早已实现了氘氚核聚变---氢弹爆炸，但氢弹是不可控制的爆炸性核聚变，瞬间能量释放只能给人类带来灾难。如果能让核聚变反应按照人们的需要，长期持续释放，才能使核聚变发电，实现核聚变能的和平利用。 如果要实现核聚变发电，那么在核聚变反应堆中，第一步需要将作为反应体的氘-氚混合气体加热到等离子态，也就是温度足够高到使得电子能脱离原子核的束缚，让原子核能自由运动，这时才可能使裸露的原子核发生直接接触，这就需要达到大约10万摄氏度的高温。 第二步，由于所有原子核都带正电，按照"同性相斥"原理，两个原子核要聚到一起，必须克服强大的静电斥力。两个原子核之间靠得越近，静电产生的斥力就越大，只有当它们之间互相接近的距离达到大约万亿分之三毫米时，核力（强作用力）才会伸出强有力的手，把它们拉到一起，从而放出巨大的能量。 质量轻的原子核间静电斥力最小，也最容易发生聚变反应，所以核聚变物质一般选择氢的同位素氘和氚。氢是宇宙中最轻的元素，在自然界中存在的同位素有：氕、氘(重氢)、氚(超重氢)。在氢的同位素中，氘和氚之间的聚变最容易，氘和氘之间的聚变就困难些，氕和氕之间的聚变就更困难了。因此人们在考虑聚变时，先考虑氘、氚之间的聚变，后考虑氘、氘之间的聚变。重核元素如铁原子也能发生聚变反应，释放的能量也更多；但是以人类目前的科技水平，尚不足满足其聚变条件。 为了克服带正电子原子核之间的斥力，原子核需要以极快的速度运行，要使原子核达到这种运行状态，就需要继续加温，直至上亿摄氏度，使得布朗运动达到一个疯狂的水平，温度越高，原子核运动越快。以至于它们没有时间相互躲避。然后就简单了，氚的原子核和氘的原子核以极大的速度，赤裸裸地发生碰撞，结合成1个氦原子核，并放出1个中子和17。6兆电子伏特能量。 反应堆经过一段时间运行，内部反应体已经不需要外来能源的加热，核聚变的温度足够使得原子核继续发生聚变。这个过程只要将氦原子核和中子及时排除出反应堆，并及时将新的氚和氘的混合气输入到反应堆内，核聚变就能持续下去；核聚变产生的能量一小部分留在反应体内，维持链式反应，剩余大部分的能量可以通过热交换装置输出到反应堆外，驱动汽轮机发电。这就和传统核电站类似了。 核聚变消耗的燃料是世界上十分常见的元素--氘（也就是重氢）。氘在海水中的含量还是比较高的，只需要通过精馏法取得重水，然后再电解重水就能得到氘。新的问题出现了，仅仅有氘还是不够的，尽管氘-氘反应也是氢核聚变的主要形式，但我们人类现有条件下，
国际热核聚变实验堆项目《国际热核聚变实验反应堆计划》 阅读答案 【--营销计划】 国际热核聚变实验反应堆计划简称“国际热核计划”，俗称“人造太阳”计划，因为它的原理类似太阳发光发热，即在上亿摄氏度的超高温条件下，利用氢的同位素氘、氚的聚变反应释放出核能。氘和氚可以从海水中提取，核聚变反应不产生温室气体及核废料。由于原料取之不尽，以及不会危害环境，核聚变能源成为未来人类新能源的希望所在。 国际热核计划采用的是可控热核聚变能，它的研究分惯性约束和磁约束两种途径。惯性约束是利用超高强度的激光在极短时间内辐射靶板来产生聚变。磁约束是利用强磁场可以很好地约束带电粒子这个特性，构造一个特殊的磁容器，建成聚变反应堆，在其中将聚变材料加热至数亿摄氏度高温，实现聚变反应。20世纪下半叶，聚变能的研究取得了重大进展，磁约速研究大大领先于其他途径。科学家研究出一种类似于面包图形状的环形器，这种面包圈形状的装置被称作“托卡马克”。在这类装置上进行的物理实验取得了一个个令人鼓舞的进展，比如等离子体温度己达4.4亿摄氏度，脉冲聚变输出功率超过16兆瓦。这些成就表明：在这类装置上产生聚变能的可行性已被证实。
为了点燃“人造太阳”，科学家将在法国南部的卡达拉舍建造一台规模庞大的设备：一个直径28米、高30米、由1000多万个零部件组成的大型圆柱体设备。假如成功的话，核聚变能源将具备重要的、无与伦比的优势。核聚变反应释放的能量大得超出人们的想象。形象地说，就是三瓶矿泉水就可以为一个4口之家提供一年的动力。不过，一些批评者却认为，核聚变反应堆其实并没有那么保险，还是存在放射性氢原子泄漏、污染环境的可能性。他们还认为，核聚变反应堆可以被怀有恶意的人滥用，用于生产核武器。支持者的反驳理由是核聚变发电站没有温室气体排放问题，也不会生成长久的、也就是半衰期很长的核废料。 不管怎样，世界上许多国家的政府对核聚变发电寄予厚望，愿意在今后30到40年的时间内投入100亿欧元左右的资金，进行“人造太阳”计划。 xx年1 1月2 1日，参加热核计划的7方代表在法国总统府正式签署了联合实验协定及相关文件，全面启动了世界瞩目的人类开发新能源的宏伟计划。在前两年，人们已经开始砍伐松林，为实验堆开辟地盘。按计划，xx年，热核实验反应堆将点燃它的第一把核聚变之火。随后，实验堆将运行15到20年。 5．下列各项中不是“核聚变能源成为未来人类新能源的希望所在”的理由的一项是
中国核工业 ＺＨＯＮＧＧＵＯＨＥＧＯＮＧＹＥ中国核工业 ＺＨＯＮＧＧＵＯ ＨＥ ＧＯＮＧＹＥ ２００６年?第１２期?总第７６期 国际磁约束核聚变研究始于上世纪５０年代。国际上将核聚变研究的发展分为六个阶段，即：原理性研究阶段、规模实验阶段、点火装置实验阶段（氘氚燃烧实验）、反应堆工程物理实验阶段、示范反应堆阶段、商用化反应堆阶段。总体上看，国际磁约束核聚变界正处在点火装置和氘氚燃烧实验阶段，并逐步向反应堆工程实验阶段过渡。 上世纪９０年代，国际磁约束核聚变研究取得了突破性的进展，获得了聚变反应堆级的等离子体参数，初步进行的氘－氚反应实验，得到１６兆瓦的聚变功率。可以说，磁约束核聚变的科学可行性已得到证 实，有可能考虑建造“聚变能实验堆”，创造研究大规模核聚变的条件已经成熟。国际聚变研究在完成科学可行性验证后已于１９９６年正式定位为核聚变能源开发，其显著标志是国际原子能机构（ＩＡＥＡ）等离子体物理和受控核聚变研究国际会议于１９９６年正式更名为国际聚变能源大会。 近十年来，各国在托卡马克装置上的核聚变研究不断取得令人鼓舞的进展。１９９１年１１月９日，欧共体的ＪＥＴ托卡马克装置成功地实现了核聚变史上第一次氘－氚运行实验，在氘氚６比１的混合燃料（８６％氘，１４％氚）中，等离子体温度达到３ 亿摄氏度，核聚变反应持续了２秒钟，产生了１×１０１８个聚变中子，获得的聚变输出功率为０．１７万千瓦，能量增益因子Ｑ值达０．１１～０．１２。虽然高峰聚变功率输出时间仅有２秒，但这是人类历史上第一次用可控方式获得的聚变能，意义十分重大。这一突破性的进展极大地促进了国际托卡马克实验堆计划的开展。 １９９３年１２月９日和１０日，美国在ＴＦＴＲ装置上使用氘、氚各 ５０％的混合燃料，使温度达到３亿～４亿摄氏度，两次实验释放的聚变能分别为０．３万千瓦和０．５６万千瓦，大约为ＪＥＴ输出功率的２倍和４ 国际核聚变研究开发的现状和发展趋势 本期专题———关注中国核聚变研究 ◎撰文?希物 特斯拉、等离子体存在时间２９６０毫秒。 我国聚变研究的中心目标是在可能的条件下促使核聚变能尽早在中国实现。因此，参加国际热核聚变实验堆（ＩＴＥＲ）计划应该也只能是我国整体聚变能研发计划中的一个重要组成部分。国家将在参加ＩＴＥＲ计划的同时支持与之配套或与之互补 的一系列重要研究工作，如托卡马克等离子体物理的基础研究、聚变堆第一壁等关键部件所需材料的开发、示范聚变堆的设计及必要技术或关键部件的研制等。参加ＩＴＥＲ计划将是我国聚变能研究的一个重大机遇。 尽管就规模和水平来说，我国核聚变能的研究和美、欧、日 等发达国家还有不小的差距，但是我们有自己的特点，也在技术和人才等方面为参加ＩＴＥＲ计划作了相当的准备。这使得我们有能力完成约定的ＩＴＥＲ部件制造任务，为ＩＴＥＲ计划作出相应的贡献，并有可能在合作过程中全面掌握聚变实验堆的技术，达到我国参加ＩＴＥＲ计划总的目的。 １５
高中物理之核聚变知识点 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。 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 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
核聚变 （一）知识与技能 1．了解聚变反应的特点及其条件. 2．了解可控热核反应及其研究和发展. 3．知道轻核的聚变能够释放出很多的能量,如果能加以控制将为人类提供广阔的能源前景。 （二）过程与方法 通过让学生自己阅读课本，培养他们归纳与概括知识的能力和提出问题的能力 （三）情感、态度与价值观 1．通过学习，使学生进一步认识导科学技术的重要性，更加热爱科学、勇于献身科学。 2．认识核能的和平利用能为人类造福，但若用于战争目的将给人类带来灾难，希望同学们努力学习，为人类早日和平利用核聚变能而作出自己的努力。 ★教学重点 聚变核反应的特点。 ★教学难点 聚变反应的条件。 ★教学方法 教师启发、引导，学生讨论、交流。 ★教学用具： 多媒体教学设备一套：可供实物投影、放像、课件播放等。 ★课时安排 1 课时 ★教学过程 （一）引入新课 教师：1967年6月17日，我国第一颗氢弹爆炸成功。从第一颗原子弹爆炸成功到第一颗氢弹爆炸成功，我国仅用了两年零八个月。前苏联用了四年，美国用了7年。氢弹爆炸释放核能是通过轻核的聚变来实现的。这节课我们就来研究聚变的问题. 学生：学生认真仔细地听课 点评：通过介绍我国第一氢弹爆炸，激发同学们的爱国热情。 （二）进行新课 1．聚变及其条件 提问：请同学们阅读课本第一段，回答什么叫轻核的聚变？
学生仔细阅读课文 学生回答：两个轻核结合成质量较大的核，这样的反应叫做聚变。 投影材料一：核聚变发展的历史进程［1］ 提问：请同学们再看看比结合能曲线（图19.5-3），想一想为什么轻核的聚变反应能够比重核的裂变反应释放更多的核能？ 让学生了解聚变的发展历史进程。 学生思考并分组讨论、归纳总结。 学生回答：因为较轻的原子核比较重的原子核核子的平均质量更大，聚变成质量较大的原子核能产生更多的质量亏损，所以平均每个核子释放的能量就更大点评：学生阅读课本，回答问题，有助于培养学生的自学能力。 教师归纳补充： （1）氢的聚变反应： 2 1H+2 1 H→3 1 He+1 1 H+4 MeV、 2 1H+3 1 H→4 2 He+1 n+17.6 MeV （2）释放能量：ΔE＝Δmc2＝17.6 MeV，平均每个核子释放能量3 MeV以上，约为裂变反应释放能量的3～4倍 提问：请同学们试从微观和宏观两个角度说明核聚变发生的条件？ 学生阅读教材，分析思考、归纳总结并分组讨论。 得出结论 微观上：参与反应的原子核必须接近到原子核大小的尺寸范围，即10-15 m，要使原子核接近到这种程度，必须使它们具有很大的动能以克服原子核之间巨大的库仑斥力。 宏观上：要使原子核具有如此大的动能，就要把它加热到几百万摄氏度的高温。 点评：从宏观和微观两个角度来考虑核聚变的条件，有助于加深理解。 教师说强调：聚变反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以维持反应持续进行下去，在短时间释放巨大的能量，这就是聚变引起的核爆炸。 教师补充说明： （1）热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳和很多恒星的内部温度高达107K以上，因而在那里进行着激烈的热核反应，不断向外界释放着巨大的能量。太阳每秒释放的能量约为3.8×1026 J，地球只接受了其中的二十亿分之一。太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减轻。它每秒有７亿吨原子核参与碰撞，转化为能量的物质是400万吨。科学家估计，太阳的这种“核燃烧”还能维持90亿~100亿年。当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！ 教师：希望同学们课后查阅资料，了解更多的太阳能有关方面的知识及其应用。 （2）上世纪四十年代，人们利用核聚变反应制成了用于战争的氢弹，氢弹
中国特稿：“人造太阳”突破不断中国拟2050年前实现核聚变发电 能源紧缺、环境污染，全球对清洁能源需求增大。分析指中国在核聚变领域的研究已进入世界领先行列，而率先实现核聚变能源商用，将让中国摆脱能源制约，在经济、地缘政治等国际竞争中占据优势。 我们希望通过东方超环，扩大国际合作，实现未来核聚变能为人类所用。——宋云涛 夸父逐日的中国神话故事讲述古人战胜自然的愿望，中国科学家如今正缔造新的科技神话——建造一个能释放无限能量的人造太阳，让中国在2050年以前用上取之不尽用之不竭的核聚变能源。 有分析指出，中国在核聚变领域的研究已进入世界领先行列，而率先实现核聚变能源商用，将让中国摆脱能源制约，在经济、地缘政治等国际竞争中占据优势。
由中国科学家自主研发的人造太阳又叫“东方超环”，建在安徽合肥市郊的科学岛上。它是一个全超导托卡马克核聚变实验装置（Experimental Advanced Superconducting Tokamak，简称EAST），能让氘和氚在超高温条件下像太阳一样发生聚变，产生大量能量。 主原料是海水比现核裂变发电安全 面对能源紧缺、环境污染，全球对清洁能源需求增大。核聚变的主要原料是海水，也比现有的核裂变发电安全，因此被视为清洁能源的未来，有人也将它称为“能源圣杯”。据科学家估计，一升海水能产生的聚变能源相当于500升汽油所能产生的能量。 各国科学家数十年来建设各种俗称“人造太阳”的核聚变实验装置，但目前尚无法实现核聚变能源为人类所用。这些装置要真正实现发电，必须能达到上亿度高温、长时间稳态运行，并且具有可控性。 目前来看，中国研发的“东方超环”在稳定性上已是全球领头羊。2017年，它成功实现了101.2秒稳态运行，成为全球首个可以稳定运行长达100秒以上的装置。 一些西方科学家认为，这项突破显示中国聚变研究的发展速度已领先其他国家。东方超环国际顾问委员会当时评估，该设施是“国际磁约束聚变装置中最前沿的，并且是未来五年间世界上唯一有能力实现400秒长脉冲高性能放电的聚变装置”。
我国核聚变堆材料研究获重要进展 研制出基于功能梯度材料的六种第一壁候选材料，其中五种国际上未见报道 本报记者温新红 记者日前从北京科技大学获悉，与本世纪最受关注的科学项目——国际热核聚变实验反应堆(ITER)计划相关的热核聚变堆实验装置中面向高温等离子体的第一壁材料研究取得重要进展，该校材料学院教授、中科院院士葛昌纯领导课题组经10年努力研制出6个体系的基于功能梯度材料（Functionally Graded Materials, 简称 FGM）的第一壁候选材料，目前此项研究在国际上处于领先水平。 聚焦受控热核聚变第一壁材料 2006年11月21日，科技部部长徐冠华代表中国政府签署了ITER计划的联合实验协定及相关文件。一直主张中国加入ITER的葛昌纯认为，中国此次加入ITER，分担了一部分研究项目，但接下来的工作还有很多，国内相关领域的科学家应该提早研究，争取尽早建立起示范聚变堆和商用聚变堆。 葛昌纯是研究先进材料的专家，他说，从工程角度看，相关的核聚变材料已成为制约核聚变能走向实用的关键之一，非常重要的一类是面向等离子体应用的材料，尤其是处于高热负荷下的偏滤器部件。 据介绍，单一材料或涂层材料已不能满足前沿科研领域发展的需求，例如用于航天飞行器上、需要承受1000摄氏度以上高温度落差的材料。但通常的涂层材料，如金属表面的陶瓷涂层，由于陶瓷和金属的膨胀系数相差很大，反复多次就会开裂。 同样，核聚变装置也需要耐高温、耐腐蚀、耐冲刷的新材料。葛昌纯说，核聚变装置的真空室相当于一个装入高温等离子体的炉子，最受考验的是直接面向高温等离子体的内壁，即第一壁材料。氘氚聚变反应产生大量的高能中子和?琢粒子、电磁辐射，它们和等离子体离子、快原子和其他从等离子体逃逸出的粒子（氘、氚和杂质）以及高达1MW/m2的热负荷、脉冲运行状态和高交变热应力一起，强烈地作用于第一壁。人类到目前为止还没有遇到过工作环境这么复杂的材料。另一种材料是在等离子体出口处的偏滤器材料，这里的热流密度更高，达到6~10MW/m2，在不正常条件下甚至高达 20~100MW/m2。因此这两种材料是核聚变装置中服役条件最严酷的材料。 葛昌纯根据自己多年材料研究的经验，认为这是一个非常重要的研究方向。1996年，他向有关部门提交了耐高温等离子体冲刷的功能梯度材料的科研顶层设计项目建议书。在建议书中葛昌纯设想这种材料可以运用在三个方面，一是为受控核聚变提供耐高温等离子体冲刷的材料，二是可以用于激光核聚变的材料，三是可以在航空航天上用的材料。这项建议得到了国家有关部门的重视和核工业西南核物理研究院的合作，“863”新材料专家委员会听取了葛昌纯的论证报告，通过答辩后，于1997年7月批准了这个项目。 五种功能梯度第一壁材料国际上尚未见有报道 葛昌纯领导课题组经过十年努力，特别是近五年来通过指导周张健副教授负责的国家自然科学基金项目、沈卫平副教授负责的“863”计划项目，以及研究组与中科院等离子体物理研究所和核工业西南物理研究院的协作项目，较深入地研究了弹塑性有限元分析和优化设计、超高压力通电烧结、熔渗——焊接
谈谈核裂变能与核聚变能 胡经国 据最近报道，位于英国牛津郡卡勒姆的、联合欧洲环形核聚变试验装置的科学家们，首次成功地进行了受控核聚变反应试验，从而使他们在探索核聚变能的竞争中，超过了美国和日本而居于世界领先地位。这次实验是在一个环形受控核聚变反应堆里进行的，持续时间只有2分钟，温度达到了3亿摄氏度，比太阳内部温度还要高20倍。该环形装置重达3500吨，是目前世界上最大的受控核聚变实验装置。那末，什么叫做受控核聚变与核聚变能呢？它们对未来世界能源研究与开发利用有何重要意义呢？ 为了回答这些问题，需要从核能（原子能）谈起。大家知道，原子核是由质子和中子组成的。质子和中子统称为核子。核子结合成原子核时释放的能量，或者原子核分解为核子时吸收的能量，称为原子核结合能。原子核结合能与组成该原子核的核子数之比，称为原子核核子的平均结合能。这就是一般所说的核能（原子能）。质量数较小的轻核（如氘、氚）和质量数较大的重核（如铀），其核子平均结合能均较小；质量数中等的原子核，其核子平均结合能较大，而且质量数为50%～60%的原子核，其核子平均结合能最大。这一规律称为原子核核子平均结合能随原子核质量数而变化的规律。 核能存在于原子核内部，只有使它释放出来才能被人类所利用。怎样才能使核能释放出来呢？原子核核子平均结合能随原子核质量数而变化的规律，是核能能够被释放出来的理论依据。由于质量数中等的原子核核子平均结合能较大，因而无论是将重核分裂成质量数中等的原子核，还是将轻核聚合成质量数中等的原子核，都能够使核能释放出来。所以，核能释放有以下两种途径：重核的裂变和轻核的聚变 第一种途径是重核的裂变。将重核分裂成质量数中等的原子核，称为重核的裂变，又叫做核裂变。核裂变是1938年由德国科学家哈恩和斯特拉斯曼发现的。他们用中子轰击铀原子核，导致了铀原子核的裂变。可见，快速中子的轰击是实现核裂变的条件。在重核裂变时，放出新的中子，新中子又引起其它重核裂变。这种不断进行的核裂变反应，称为链式反应。重核材料（如含铀的同位素铀238和铀235的材料）能够产生核裂变链式反应的最小体积，称为重核材料的临界体积。重核材料的体积一旦超过其临界体积，核裂变链式反应就迅速进行，同时在极短的时间内释放出巨大的能量，引起猛烈的爆炸。重核在核裂变反应过程中释放出的巨大能量，称为核裂变能。例如，1克铀235完全裂变所释放的核裂变能，相当于2.4吨煤完全燃烧所释放的化学能。 第二种途径是轻核的聚变。将轻核聚合成质量数中等的原子核，称为轻核的聚变，又叫
核聚变点火的基本概念 核聚变三重积，或者叫：D-T反应下的核聚变三重积。也就是使用D-T反应，核聚变的基本条件。大约是0.6×10^21。举个例子：三个条件：温度10KeV，等离子密度10^20，那么能量约束时间就要0.6秒。 三重积是三个指标，理论上如果你温度提高10倍，或者等离子密度提高10倍，那么你的时间就可以减少到60毫秒，这样你可以点火。但这60毫秒是没用的，因为这仅仅是点火门槛，反应后的能量输出一下子就让你的反应停止了，所以实用的三重积应当在3×10^21才会够用。 能量约束时间是指在等离子体总能量不变的情况下，电磁容器约束它的时间。也就是等离子体总温度和密度的乘积不下降的前提下的约束时间。而EAST所提到的长脉冲放电约束时间，则不考虑等离子体温度下降带来的失能。这样的话核聚变三重积就无法达到，也就无法点火。 前面那位和物理博士所讲，要想提高三重积，达到点火条件，把托卡马克个子做大是必需的，于是你看看JET和JT-60的个头就一个赛一个的大。毛子不解体，貌似还规划了5米半径的东东。 但是，等离子体大了，三重积上去了，同时用于约束磁流体的电能消耗几何级数增加，毕竟欧姆定律不可以违反。要想为人类所用，必须有一个好看的能量输入输出比，于是就有了Q 值的概念。Q大于1才表示有正能量输出，Q值到了10以上才证明可能实用（你发电还有转换效率不是）？ 怎么解决这个问题，那就超导把，先解决欧姆定律再说，这就是超托卡马克，也就是所谓的全超导托卡马克诞生的原因。托卡马克身上线圈有两种，一种是垂直于等离子体的，一种是水平的。早期在一些小型的托卡马克上，把某些线圈改成超导做实验。之后觉得差不多了，我们再建设一个从设计之初就考虑把垂直和水平线圈做成超导的装置。这就是所谓全超导托卡马克。 上面有网友贴出了环流2A的照片，常规托卡马克基本上张这个德行，而超托卡马克，比如EAST，都长得像个保温杯，这就是容纳超导线圈的巨型杜瓦瓶。 有了超导就解决问题了么？错，还差得远，超导的发现虽然比核聚变早个十几年，但是人类玩实用超导的时间远远短于玩可控核聚变。如果说玩核聚变玩出了等离子物理专业领域的话，玩超导则到了另一个极端，玩出了凝聚态物理。所以用超导线圈产生一个有效的约束磁场，并且让它持续工作，绝非一件很容易的话事情。这就是我为啥说EAST的全超导的历史意义。
《核聚变》教学设计 教学目标 1．知道核聚变现象，理解核聚变放出巨大能量的原理 2．能根据ΔE=Δmc2计算核聚变放出的能量 3．了解氢弹结构和反应过程，了解太阳核聚变反应 4．了解核聚变反应的优点、困难。 5、知道轻核的聚变能够释放出很多的能量,如果能加以控制将为人类提供广 阔的能源前景。 重点难点 重点：(1)核聚变发生机制(2)能根据ΔE=Δmc2核裂变、核聚变情况下放出的能量 难点：从两个方面分析核聚变放出巨大能量的原理 设计思想 核聚变对学生而既熟悉又陌生，学生或多或少都了解一些，这部分内容学生一定很感兴趣，所以，讲授时我们可以以问题的形式让学生观看PPT，自已去看书、思考，整理相关的知识，掌握要掌握的内容。 教学资源多媒体课件 教学设计 【课堂引入】分析聚变反应放出巨大能量的原因之一 学习活动一：根据原子核的比结合能曲线，知道中等核的比结合能最大，两个较轻原子核结合成质量数较大原子核时要释放能量还是要吸收能量呢？（回答：释放能量并分析原因）问题1：写核反应方程应注意什么？ (1)满足“质量数、核电荷数”守恒； (2)只能用单箭头，不能用等号； (3)两边的中子不能约去。 学习活动二：分析聚变反应放出巨大能量的原因之二（聚变平均每个核子释放能量是裂变反应的4倍左右） 在核裂变235 92U＋1 n →141 56 Ba＋92 36 Kr＋310n反应中，质量亏损Δm=0.2153u，则 (1)一个铀核裂变释放多少能量E？平均每个核子释放的能量E0是多少 解：E=Δm×931.5Mev=200.55Mev E0=E/235=0.853Mev （2）核聚变：把轻原子核聚合成较重原子核的反应(氢弹主要利用的核聚变) 2 1 H+21H 42He＋10n +17.6Mev 平均每个核子放的能量E0=E/3=3.52Mev
参观核聚变博物馆 在我们大一新生时，每个专业在学校的安排下参观了学校核聚变博物馆，在老师深情地讲解和自我所见所闻中知道，中国核聚变博物馆是原核工业585所基地。这是我国第一个核聚变博物馆，也是我国第一个也是唯一一个对公众开放的核聚变博物馆。 名称中国核聚变博物馆 定位四川省爱国主义教育 基地 四川省科普基地 核工程认知中心 所属单位成都理工大学工程技 术学院 目前，可行性较大的可控核聚变反应装置就是托卡马克装置---环流器。 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(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。 托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。 核聚变的优劣势 优势： （1）.核聚变释放的能量比核裂变更大 （2）.无高端核废料，可不对环境构成大的污染 （3）.燃料供应充足，地球上重氢有10万亿吨（每1升海水中含30毫克氘，而30毫克氘聚变产生的能量相当于300升汽油） 劣势： 反应要求极高，技术要求极高。 从理论上看，用核聚变提供部分能源，是非常有益的。但目前人类还没有办法，对它们进行较好的利用。 （对于核裂变，由于原料铀的储量不多，政治干涉很大，放射性与危险性大，核裂变的优势无法完全利用。截至2006年，核能（核裂变能）发电占世界总电力约15%。说明了核裂变的应用的规模之大，更能说明优势比核裂变更大的核聚变能源前景更加光明。科学家们估计，到2025年以后，核聚变发电厂才有可能投入商业运营。2050年前后，受控核聚变发电将广泛造福人类。） 博物馆占地面积约300平方米，博物馆内放着我国第一个人造太阳装置--中国环流器一号以及环流器工作时所需要的其他设备，其发生核聚变反应的原材料为重氢与超重氢，在磁笼的约束下加速发生核聚变。博物馆四周墙壁挂满了我国核聚变发展的一些历史资料，核工业西南物理研究员在ITER计划中承担的角色，以及核聚变的一些科普资料。
信息资源类型：调研报告 国际热核聚变材料辐射装置- IFMIF 李天鹞 中国科学院核能安全技术研究
1.介绍 The International Fusion Materials Irradiation Facility（国际热核聚变材料辐射装置），IFMIF，是一个用于测试聚变用材料的装置，其目的是测试核聚变反应堆所用材料的可行性。 IFMIF的建设准备工作按预期已经在2006年开始，尽管发挥其实际的测试功能至少被排在2017年之后。其中有两个平行的氘核加速器，产生的氘核粒子束撞击锂元素标靶，反应后产生大量高能中子来照射样本材料和被测试成分。该装置可以通过在适当的周期内（几年）产生大量且能量适中的中子来模拟未来商业聚变反应堆中材料受照射情况，从而可以测试在极端情况下材料的长期行为。 聚变发展至今，安全、经济可行性与尊重环境将是热核聚变能源进行大规模普及必不可少的条件，而其中材料的抗辐照性和低活化性问题则是一个关键。IFMIF这一装置将着力于发展相关聚变材料，当它们曝露在高能粒子环境当中时，能否有足够的抗辐照能力。材料的测试需要强大的高能粒子源流(中子)。但是，目前尚没有达到高于数兆电子伏特的强大中子源流。IFMIF将提供这样的高能中子流，以便能够在其整个使用寿命周期上测试用于热核聚变反应堆材料样品。 该项目由欧盟、日本、俄罗斯及美国等共同参与的能源领域的最大国际合作项目之一，同时也是聚变领域最重要的两个国际合作项目之一(另外一个是ITER)。 2.结构 图1——总体3维视图 如图1所示，IMFIF由几个部分组成：加速器、靶、测试室和电力系统等。其中加速器、锂循环系统和处理系统都位于地面之下，主要的电力系统和热室等设施在地面上。
聚变能和受控核聚变研究简史 江海燕 (合肥工业大学理学院安徽230009) 储德林 (解放军炮兵学院基础部物理教研室合肥230031) 一、聚变能)))未来人类的理想能源 能源、信息和材料作为社会进步的三大支柱,是现代社会赖以生存和发展的基本条件。我国人口众多,能源需求旺盛,随着国民经济的发展,能源问题日益紧迫。至本世纪中叶,要使我国成为中等发达国家,则需要建立约每年38~45亿吨标准煤、电力装机容量15亿千瓦或者更大些的能源体系。在我国能源构成中,化石燃料所占份额极大,水力资源有限,其他如太阳能、风能、潮汐能、生物能等,只起到重要补充作用。众所周知,化石燃料所造成的环境污染,化工原料的浪费以及运输能力的消耗等都不容忽视;太阳能、生物能虽然符合环保标准,但限于目前技术水平,尚不能提供大规模商业用电;其他能源受到天气状况,地理位置等条件制约,均无法彻底解决能源问题。 科学家早就认识到,要解决人类的能源问题,必须依靠大规模发展核能。目前核能主要有两种形式:裂变能和聚变能。同样,裂变能也存在资源匮乏以及环境污染等问题,其发展也只能是核能利用的中间阶段。聚变能燃料取自海水中蕴藏量极高的氢同位素氘(每立方米海水中含有30克氘),1克氘完全燃烧可产生相当于8吨煤的能量。因此聚变能源是取之不尽、用之不竭的符合国际环保标准的清洁能源,是人类解决未来能源问题的根本途径之一。 核聚变的理论依据是,两个轻核在一定条件下聚合生成一个较重核,同时伴有质量亏损,根据爱因斯坦的质能方程,聚变过程将会释放出巨大的能量。反应条件是将一定密度的等离子体加热到足够高的温度,并且保持足够长的时间,使聚变反应得以进行。由于核聚变等离子体温度极高(达上亿度),任何实物容器都无法承受如此高的温度,因此必须采用特殊的方法将高温等离子体约束住。像太阳及其他恒星是靠巨大的引力约束住1000万~1500万摄氏度的等离子体来维持聚变反应,而地球上根本没有这么大的引力,只有通过把低密度的等离子体加热到更高的温度(1亿度以上),来引起聚变反应。通过人工方法约束等离子体主要有两种途径,即惯性约束和磁约束。 惯性约束是利用高功率密度的激光束或其他粒子束将内含氘氚燃料的微丸在极短的时间内压缩聚爆达到极高的密度,同时将氘氚离子加热到热核聚变反应温度,并在向心聚爆形成的等离子体飞散以前(即利用等离子体向内运动的惯性)产生足够的聚变反应,获得能量增益。磁约束是在一定的真空容器中,将氘氚燃料用特殊的加热方法加热到聚变反应温区(即1亿度以上)以点燃氘氚反应,利用特殊设计的/磁笼子0将这种高温等离子体稳定地约束在该真空容器内,使聚变反应能够稳定进行。围绕这种/磁笼子0的设计和建造,人类已经走过了半个多世纪艰苦的历程。 二、受控核聚变研究历程 上世纪30年代,在英国剑桥的卡文迪什实验室进行了人类历史上第一次核聚变实验,结果可想而知,著名的物理学家卢瑟福于1933年宣布:从原子中寻找能源无异于痴心妄想!然而随着第二次世界大战的结束和曼哈顿计划(原子弹爆炸)的成功实施,人们对原子物理和核聚变的兴趣与日俱增。1952年11月1日在西太平洋埃尼威托克岛秘密爆炸了一颗氢弹,爆炸中释放的巨大能量宣告人类终于成功地实现了核聚变。欣喜之余,科学家们设想能否将爆炸中瞬间释放的巨大能量缓慢地释放出来,以用于和平利用核能的目的呢?事实上,科学家们一直在为受控核聚变努力着。1951年阿根廷的科学家们声称实现了受控核聚变,尽管后来证明这个结论是错误的,但也为其他科学家提供了有益的经验。 这个时候,世界上许多国家都在秘密开展受控核聚变的相关研究。美国的物理学家斯必泽在普林斯顿大学等离子体物理实验室建造了磁约束装置仿星器;物理学家詹姆士#塔克在洛斯阿拉莫斯国家实验室建造了磁场箍缩装置;爱德华#泰勒在劳伦斯利弗莫尔实验室把氢弹研究扩展到惯性约束研究。在英国,聚变研究的大量工作是在大学里开展的,其中最主要的有位于哈维尔皇家学院的汤姆逊研究组和位于牛津大学的桑尼曼研究组,汤姆逊还发明了一项聚变堆专利。1952年物理学家库辛和沃尔建造了小型等离子体环形箍缩装置,后来又建造了规模较大的实验装置ZE TA,ZE TA是一种稳定的环形箍缩装置,于1954年开始使用,到1958年停止。ZETA # 17 # 16卷5期(总95期)
1、核聚变反应堆所用的材料主要包括： A 热核材料； B 第一壁材料； C 高热流部件材料； D 氚增殖材料 2、核聚变堆设计和工况条件 A 第一壁环境条件，第一壁是聚变堆中离等离子体最近的部件，应具有抗中子辐照损伤能力，对氢脆和氦脆(指材料中掺入氢气、氦气，材料会变脆，相应性能降低)不敏感，与冷却介质和包层材料相容性好。 B 真空壁材料的设计限值，包括使用温度、热导率、热膨胀系数、强度、弹性模量等上限要求。 C 比起裂变反应堆，聚变反应堆具有特有的材料工艺问题：超导磁体及低温技术，强磁场下导电液体的泵送技术，14MeV中子的辐照损伤、氦离子轰击和溅射起泡现象等。 3、第一壁材料 （1）奥氏体（可以说是铁的同位素钢中性能最好的一种，应用范围最广，但也不绝对）不锈钢。 优点：该材料具有良好的加工、焊接性能，与氦冷却剂和陶瓷增殖材料相容性好； 缺点：但屈服强度较低，抗辐照肿胀性较差。 （2）铁素体和马氏体不锈钢 优点：与奥氏体不锈钢相比，抗辐照肿胀性好，具有更高的热应力因子和更好的液态金属腐蚀行为，与候选冷却剂及氚增殖剂的化学相容性好； 缺点：但对热机械处理十分敏感，退火（钢材料性能改善的手段之一，退火温度由相图决定。简单地讲，就是将钢的温度加热到某一温度，使晶格发生变化，以达到某种性能，再在这一新材料的基础上用某种手段降温至室温，降温速度不同，材料变形不同）温度和时间的变化对其性能影响较大，且焊接工艺要求较为苛刻。 （3）钒合金 优点：具有优良的高温力学性能、抗腐蚀肿胀性能和低中子活化特性，与高纯氦相容性好，一般需要在合金表面覆镀一层绝缘性膜； 缺点：不过存在氢脆现象，且钒合金的工业生产经验和性能数据较为贫乏，目前通常在惰性保护气体或真空环境中进行该合金的焊接工作。 （4）SiC/SiC复合材料 优点：具有优良的高温性能。在氦冷却介质系统中可工作到800摄氏度，可大大提高能源系统的热效率。它比金属类材料在安全、维护和放射性处理方面具有更大的优势。 缺点：影响SiC/SiC复合材料性能的关键环节是在结合基体材料之前沉积在纤维预型上的纤维和基体间的界面层，一般用碳。复合材料的首选工艺是化学气相渗入法（渗N2、C）（CVI）。 中子辐照对其热导率的影响与辐照温度密切相关，即辐照温度越低，则热导率下降越多。 4、高热流部件材料：指孔栏和偏滤器中承受高热负荷的部件。 （1）铜合金 优点：可消散等离子体破裂时产生的局部过热作用。铜合金具有良好的导热效率(仅次于银)；缺点：但是易受因素影响而变弱： A 辐照缺陷组分在低温辐照达到饱和值，相当与热导率降低 B 沉淀或氧化物粒子由于高能离位级联冲击而溶解
聚焦今天中国已在核聚变重要领域实现领 跑 将于2035-2040年建造中国聚变工程试验堆，并启动聚变示范堆设计 核聚变能具有资源丰富、固有安全性高、环境可接受性好等特点，是人类最理想的能源形式。上世纪80年代，我国制定了“热堆-快堆-聚变堆”“三步走”的核能发展战略，随后通过参加国际热核聚变实验堆（ITER），进一步推动我国聚变能源研究进入国际阵营。中国核学会核聚变和等离子体分会理事长、核工业西南物理研究院（以下简称“西物院”）院长刘永日前在”中国核学会2017年学术年会”上透露，我国在聚变工程和科学方面的研究，已经由过去的跟跑、并跑发展到现在某些领域的领跑。而且，我国承担的ITER计划采购包任务进展显著。 “绿色核能科普展”上的聚变堆模型朱学蕊/摄 站上核聚变研究先进平台 2006年11月21日，中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国七方签署了ITER计划的联合实施协定及相关文件，拟共同建造一个超导托卡马克型聚变实验堆，探索和平利用聚变能发电的科学和工程技术可行性。据了解，ITER将成为世界第一个电站级别的聚变实验堆，是最终实现磁约束聚变能商业化必不可少的一步，这也是中国首次以平等伙伴身份参与的最大国际合作项目。 据了解，目前国内从事磁约束受控核聚变研究的单位包括西物院、中科院等离子体物理研究所、中国工程物理研究院等科研院所及一些高校。其中，西物院和中科院等离子体物理研究所是中方参与ITER计划的主要承担单位；贵州航天新力、西部超导、宁夏东方、合肥科烨等企业参与了ITER计划相关部件、材料、工艺的研发和加工。 “核聚变研究是人类历史上最具挑战性的课题之一，其基本原理就是将原子核聚变反应释放能量的过程慢化，并和平利用该能量。”刘永说，“这项工程面临极大的技术挑战，我们研究了50年之久，主要因为它的实现条件很苛刻，需要1亿度以上的高温、长时间约束在有限的空间中，并需要足够高的密度。几十年来，我们主要就是解决如何将上亿度的高温等离子体长时间约束起来，让其能充分反应，解决聚变自持燃烧的问题。”
两个较轻的原子（质量数大致小于16）聚合成一个较重的原子核，同时放出大量的能量，这种核反应叫聚变反应。它是获得原子能的重要途径之一。一升的海水约含有0.03克的氘，通过核聚变反应能产生相当于300升汽油燃烧所放出的能量。由于原子核间有很强的静电斥力，核聚变反应必须在几千万摄氏度至上亿摄氏度的高温下才能发生。太阳和一些恒星内部温度很高，原子核有足够在的动能克服核间静电斥力而发生聚变反应。太阳里发生的持续的核聚变反应，源源不断地给我们提供光和热。 一个重的原子核分裂成两个质量略为不同的较轻的原子核，同时放出大量能量，这种反应叫做裂变反应。裂变有自发裂变和受激裂变反应两种。自发裂变是原子核不稳性的一种表现形式，天然同位素自发裂变半衰期都很长，如铀-238约为1016年；一些原子核比铀原子核重的同位素（超铀核素）自发裂变半衰期相对较短，如锎-252只有85.5年。重原子核受到其他粒子（中子、带电粒子、光子）轰击时分裂成两个质量略为不同的较轻原子核，叫受激裂变。1947年，我国科学家钱三强、何泽慧首先观察到中子轰击铀裂变时，铀核也有分裂成三块或四块的情况。但这种现象是非常稀少的。三分裂和四分裂相对于二分裂之比分别为3：1000和3：10000。重核裂变时释放出大量的能量，是获得原子能重要途径之一。1公斤铀-235完全裂变释放出的能量相当于两万吨TNT炸药爆炸时释放的能量，也相当于2700吨标准煤完全燃烧释放出的能量。重核裂变反应释放的大量能量已在核电站中得到充分应用。 爱因斯坦１９０５年在提出相对论时指出，物质的质量和能量是同一事物的两种不同形式，质量可以消失，但同时会产生能量。１９３８年，德国科学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在居里夫人实验的基础上，发现了核裂变现象：当中子撞击铀原子核时，一个铀核吸收了一个中子，分裂成两个较轻的原子核，在这个过程中质量发生亏损，因而放出很大的能量，并产生两个或三个新的中子，这就是核裂变反应。 １９４６年，在法国居里实验室工作的中国科学家钱三强、何泽慧夫妇发现了铀核的"三裂变"、"四裂变"现象，即铀原子核在中子的作用下，除了可以分裂为两个较轻的原子核外，还可以分裂为三个甚至四个更轻的原子核。只有铀－２２３、铀－２３５和钚－２３９这三种材料的原子核可以由"热中子"引起核裂变，因此它们被称为易裂材料。其中只有铀－２３５存在于界，铀－２３３、钚－２３９分别是由自然界中的钍－２３２、铀－２３８吸收中子后生成的。而在天然铀中，铀－２３５仅占０．７％，其余的９９．３％几乎都是铀－２３８。 链式裂变反应释放的核能叫做核裂变能。这种２０世纪出现的新能源，目前已占人类总能源消费量的６％。核能的和平利用，对于缓解能源短缺、减轻环境污染都具有重要意义。但是，核裂变产生的核废料、核电站能否安全运转，都引起人们的忧虑。如果利用轻原子核的聚变反应产生的核聚变能够得到工业应用，那么人类将从根本上解决能源需求的问题。核聚变能是两个轻原子核结合在一起时，由于发生质量亏损而放出的能量。核聚变的原料是海水中的氘（重氢）。早在１９３４年，物理学家卢瑟福、奥利芬特和哈尔特克已在静电加速器上用氘－氘反应制取了氚（超重氢），首次实现了聚变反应。海水里的氘只占０．０１５％，但由于地球上有大量海水，每升海水中所含的氘通过核聚变反应产生相当于３００升汽油燃烧所放出的能量，因此可以利用的核聚变材料是极为丰富的。据估计，海水中的氘通过核聚变释放的聚变能可供人类在高消费水平的基础上使用５０亿年。有关科学家们正在积极研究、一些国家政府也大力支持开发丰富而清洁的核聚变能。 美国广播公司１９９９年４月１２日播发的一篇题为《为聚变开拓未来》的消息说：使用美国最新建成的试验核反应堆的科学家们认为，他们为２１世纪开发一种安全而又取之不尽的能源--聚变能- -而进行的努力取得了进展。建在美国中部新泽西州郊区普林斯顿大学等离子体物理实验室的"国家球形核聚变实验装置（ＮＳＴＸ）" ，使支持提供聚变能研究经