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受控核聚变中的磁约束行为和分析

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受控核聚变中的磁约束行为与分析 背景 v1896年,贝克勒尔发现天然放射性,这是人们 第一次观察到的核变化。 v1915年Albert Einstein 由广义相对论导出质 能方程 v1933年,核聚变原理被提出 v1939年,美国物理学家贝特通过粒子加速碰撞 实验证实氘氚原子聚变,在这个过程中释放出 了17.6兆电子伏的能量。这就是太阳持续45亿 年发光发热的原理。 历史 聚变 某些原子核能够结合在一起,生成一个较大的原 子核,这种核反应叫做聚变。 氘核的质量:mD=2.014102u 氚核的质量:mT=3.016050u 氦核的质量:mα=4.002603u 中子的质量:mn=1.008665u 平均每个核子放出的能量在3MeV以上,比裂变反应中平均每个 核子放出的能量大3~4倍。 氘氚聚变是 ”第一代” 聚变。 “第二代” 聚变是氘和 氦3反应。 “第三代” 聚变是让氦3 跟氦3反应。 这个反应堪称 终极聚变。 中 子 数 逐 渐 减 少 核能 聚变的条件 要使轻核发生聚变,就要使原子核接近到核力发生作用的距 离10-15m,但原子核带正电,有很强的库仑斥力。 实现的方法有: v 用加速器加速原子核; v 把原子核加热到很高的温度; 108~109K 不经济 聚变反应又叫热核反应 核聚变的利用——氢弹 弹体 引爆装置 小 型 原 子 弹 三种炸药: 普通炸药 U235 氘、氚 爆炸 裂变 聚变氘、氚、重 氢化钾等 铀235 外壳 普通炸药 受控热核反应受控热核反应————核聚变的利用核聚变的利用 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; 问题有: 现在的技术还不能控制热核反应。 人们在实验室里研究核聚 变反应主要采用磁约束和 惯性约束两种方法 惯性约束 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),小球内气体受挤 压而压力和温度急剧升高。当温度 达到所需要的点火温度时,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1万亿分之一)。 磁场约束(详细展开) 带电粒子在磁场中沿螺线运动,回旋半径R与磁感应强度B成 反比。在很强的磁场中,每个带电粒子的活动便被束缚在一 根磁感线附近的很小范围内,只能沿磁感线做种纵向运动。 在热核反应的高温下,物质处于等离子态,有带电粒子组成 ,而由于上述原因,强磁场可以使带电粒子的横向输运过程 受限。 等离子体 磁约束 磁流体力学分析 现有的可控核聚变约束手段主要有两种,一种是惯性约 束(激光点火),一种是磁约束(托卡马克装置),前者的 研究主要在美国的国家点火装置(NIF),后者主要在国际 热核聚变实验反应堆(ITER),同时还包括中国的中国联合 球形托卡马克装置(SUNIST)和先进超导托卡马克装置( EAST)。相比之下,磁约束手段似乎更具可行性,但由于其 核心元件托卡马克装置技术上的不成熟,使包括ITER在内的 实验项目受阻。 托卡马克装置(tokamak) 托卡马克的核心是一个环 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。 受控核聚变研究的发展受控核聚变研究的发展 50’s:建立了最初的小 型磁约束装置 60’s:建立了成功的托 卡马克装置 70’s:建立了中型尺寸 的托卡马克 80’s:建立了大型的托 卡马克 90’s:达到了聚变功率 得失相当水平 2006:协议建造国际热 核实验反应堆ITER ITER International Thermonuclear Experimental Reactor v目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目 之一 vITER计划将历时35年,其中建造阶段10年、运行和开 发利用阶段20年、去活化阶段5年。耗资50亿美元 v主要成员:欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国 v经过三年谈判,2006年5月24日,中国加入ITER计划 vITER计划是目前世界上仅次于国际空间站的又一个国 际大科学工程计划。该计划将集成当今国际上受控磁 约束核聚变的主要科学和技术成果,首次建造可实现 大规模聚变反应的聚变实验堆,将研究解决大量技术 难题,是人类受控核聚变研究走向实用的关键一步, 因此备受各国政府与科技界的高度重视和支持 •ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克。 其装置中心是高温氘氚等离子体环,其中存在15兆安的等离 子体电流,核聚变反应功率达50万千瓦 •作为聚变能实验堆,ITER要把上亿度、由氘氚组成的高温等 离子体约束在体积达837立方米的“磁笼“中,产生50万千瓦的 聚变功率,持续时间达500秒 国内磁约束聚变发展状况 主要机构:中核集团西南物理研究院(SWIP) 中科院合肥等离子体物理研究所(ASIPP) 中国科技大学 大连理工大学 华中科技大学 清华大学 EAST Experimental Advanced Superconducting Tokamak v 1997年 项目被中央科技领导小组批准 v 2000年10月国家发展计划委员会批准项目正式开工建设 v 2006年 工程调试和实验运行(总共三次) v 2007年3月01日:项目正式通过国家竣工验收 v 2012年4月19日,我国新一代“人造太阳”实验装置( EAST)中性束注入系统(NBI)完成了氢离子束功率3兆 瓦、脉冲宽度500毫秒的高能量离子束引出实验。本轮实 验获得的束能量和功率创下国内纪录,并基本达到EAST 项目设计目标。 当今世界最先进的大型托卡马克 托卡马克名称主建国家 小半径 /m 大半 径/m 等离子体 中心环形 场/MA 运行时间 欧洲联合环形装置欧共体1.32.83.01983 托卡马克聚变试验堆美国0.852.52.51982 托卡马克-60日本1.00 3.003.01985 托卡马克-15前苏联0.72.401.41986 环流一号 中国乐山,西南 物理研究所 0.21.020.41995 HT-613 合肥,等离子体 物理所 0.125 0.45 0.3-0.4已工作
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