物理學前言原子能及和平利用2

1、自從人類學會如何使用能源使自己生活更加舒適和方便后，人們使用能源的能力和對能源的消耗就不斷增加。工業(yè)文明發(fā)展之后，這種需求和增加就越來越快。為了保持人類的舒適生活，現(xiàn)在對能源的消耗極大。,7. 能源消耗現(xiàn)狀,各種化石能源的使用年限,到2100年，世界人口將達到百億。按照現(xiàn)在的消費增長，化石燃料可供人類使用時間分別為:煤：220年石油：40年天然氣：60年,7. 能源消耗現(xiàn)狀,7. 能源消耗現(xiàn)狀,礦物能源不僅造成各種污染和“溫室效應

2、”，而且大約在200年之內，石油、煤和天然氣資源都有枯竭之虞。從長遠來看，核能將是繼石油、煤和天然氣之后主要能源，人類將從“石油文明”走向“核能文明”。,核能----未來能源的選擇,原子彈,氫彈,8.核聚變的利用——可控核聚變,5,,核聚變,由輕核聚合成中等核的過程.,實現(xiàn)聚變反應的三個條件,等離子體的溫度足夠高;等離子體的密度足夠大;所需的高溫和密度須維持足夠長的時間.,1957年,勞遜將以上三個條件定量化(對dt反應)形成勞遜判

3、據(jù),這是實現(xiàn)聚變反應并獲得能量增益的必要條件.,勞遜判據(jù),太陽的熱核聚變由萬有引力約束，這需要有恒星那樣大的質量，這不僅在地球上做不到，即使在太陽系最重的木星上也不能實現(xiàn)。,8.核聚變的利用——可控核聚變,即每個氘核聚變后可產(chǎn)生約7.2MeV的能量，是每個重核裂變釋放能量0.85MeV的8.5倍，單位質量的氘核聚變釋放的能量比裂變大很多，這是聚變反應作為一種潛在新能源的突出優(yōu)點，地球上風能，水能，以及生物生長的能量等等幾乎都來自于太陽，

4、而太陽表面所發(fā)生的就是核聚變反應。太陽本身就是一個超大的核聚變反應堆。,8.核聚變的利用——可控核聚變,氘,氘在海水中的含量還是比較高的，只需要通過精餾法取得重水，然后再電解重水就能得到氘,精餾法　利用氘化合物的蒸氣壓特點而濃縮。目前最大的液氫精餾重水廠年產(chǎn)14噸重水。水精餾操作簡單可靠、原料充足，但因分離系數(shù)小而能耗過大.,8.核聚變的利用——可控核聚變,氚,氚的半衰期為12.3年，所以自然界中不存在大量的氚。在自然界中只存在3.7

5、kg的氚。而氚在人體中只能存在40天。,在氚的衰變過程中，只會產(chǎn)生低能β射線（電子）， β射線甚至不能穿透皮膚?？諝庵械摩律渚€只能傳播幾毫米。,8.核聚變的利用——可控核聚變,現(xiàn)在人類的氚都是人工制造而非天然提取的，人們通常用重水反應堆在發(fā)電之余人工制造少量的氚，它是地球上最貴的東西之一，一克氚價值超過30萬美元，僅在美國保存有30公斤左右的氚。,8.核聚變的利用——可控核聚變,氚,用地球陸地上的鋰生成氚可以使用上千年。

6、 用中子轟擊鋰核( Li)發(fā)生反應，產(chǎn)生氚和α粒子并放出4.8MeV的能量． 海水里也蘊藏豐富的鋰資源,8.核聚變的利用——可控核聚變,等離子體,固體,液體,氣體,等離子體,增加原子(核)運動速度的方法通常是提高物體的熱運動速度。當物體的溫度足夠高時，物體呈等離子態(tài)。,8.核聚變的利用——可控核聚變,等離子體的約束方法,等離子體是由宏觀上呈電中性的帶電粒子所組成。自然狀態(tài)下的等離子體是自由運動的。,高溫的等離子體必須

7、要約束較長的時間。磁場可很好約束高溫等離子體，使其沿磁力線運動。,8.核聚變的利用——可控核聚變,其實，利用輕核聚變原理，人類早已實現(xiàn)了氘氚核聚變---氫彈爆炸，但氫彈是不可控制的爆炸性核聚變，瞬間能量釋放只能給人類帶來災難。如果能讓核聚變反應按照人們的需要，長期持續(xù)釋放，才能使核聚變發(fā)電，實現(xiàn)核聚變能的和平利用。,8.核聚變的利用——可控核聚變,在人工控制下的聚變稱為受控聚變，釋放受控聚變能量的裝置，稱為聚變反應堆或聚變堆。,D-D

8、 反應,D-T 反應,8.核聚變的利用——可控核聚變,如果要實現(xiàn)核聚變發(fā)電，那么在核聚變反應堆中， 第一步需要將作為反應體的氘-氚混合氣體加熱到等離子態(tài)，也就是溫度足夠高到使得電子能脫離原子核的束縛，讓原子核能自由運動，這時才可能使裸露的原子核發(fā)生直接接觸，這就需要達到大約10萬攝氏度的高溫。 第二步，由于所有原子核都帶正電，按照"同性相斥"原理，兩個原子核要聚到一起，必

9、須克服強大的靜電斥力。兩個原子核之間靠得越近，靜電產(chǎn)生的斥力就越  大，只有當它們之間互相接近的距離達到大約萬億分之三毫米時，核力（強作用力）才會伸出強有力的手，把它們拉到一起，從而放出巨大的能量。,8.核聚變的利用——可控核聚變,質量輕的原子核間靜電斥力最小，也最容易發(fā)生聚變反應，所以核聚變物質一般選擇氫的同位素氘和氚。氫是宇宙中最輕的元素，在自然界中存在的同位素有： 氕、氘 （重氫）、氚（超重氫）。在氫的同位素中，氘和氚之

10、間的聚變最容易，氘和氘之間的聚變就困難些，氕和氕之間的聚變就更困難了。因此人們在考慮聚變時，先考慮氘、氚之間 的聚變，后考慮氘、氘之間的聚變。重核元素如鐵原子也能發(fā)生聚變反應，釋放的能量也更多；但是以人類目前的科技水平，尚不足滿足其聚變條件。,8.核聚變的利用——可控核聚變,為了克服帶正電子原子核之間的斥力，原子核需要以極快的速度運行，要使原子核達到這種運行狀態(tài)，就需要繼續(xù)加溫，直至上億攝氏度，使得布朗運動達到一個瘋狂的水平，溫度越高，

11、原子核運動越快。以至于它們沒有時間相互躲避。然后就簡單了，氚的原子核和氘的原子核以極大的速度，赤裸裸地發(fā)生碰撞，結合成1個氦原子核，并放出1個中子和17。6兆電子伏特能量。,8.核聚變的利用——可控核聚變,反應堆經(jīng)過一段時間運行，內部反應體已經(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。這個過程只要將氦原子核和中子及時排除出反應堆，并及時將新的氚和氘的混合氣輸入到反應堆內，核聚變就能持續(xù)下去；核聚變產(chǎn)生的能量一小部分留

12、在反應體內，維持鏈式反應，剩余大部分的能量可以通過熱 交換裝置輸出到反應堆外，驅動汽輪機發(fā)電。這就和傳統(tǒng)核電站類似了。,8.核聚變的利用——可控核聚變,聚變反應和裂變反應相比較，具有許多優(yōu)越性。,1、輕核聚變產(chǎn)能效率高1千克氘全部聚變釋放的能量相當11000噸煤炭。 3、輕核聚變更為安全、清潔,8.核聚變的利用——可控核聚變,2、地球上聚變燃料的儲量豐富,氘在海水中大量存在。海水中大約每600個氫原子中就有一個氘原子，海水中氘的

13、總量約45萬億噸。按目前世界消耗的能量計算，海水中氘的聚變能可用幾百億年。地球上蘊藏的核聚變能約為蘊藏的可進行核裂變元素所能釋出的全部核裂變能的1000萬倍，因此，核聚變能是一種取之不盡用之不竭的新能源。,1升海水 = 340升汽油 1克氘氚 = 8 噸 汽油 地球表面海水含氚1018噸,8.核聚變的利用——可控核聚變,2、地球上聚變燃料的儲量豐富,3、輕核聚變更為安全、清潔 高溫不能維持反應

14、就能自動終止，聚變產(chǎn)生的氦是沒有放射性的。廢物主要是泄露的氚，高速中子、質子與其他物質反應生成的放射性物質，比裂變反應堆生成的廢物數(shù)量少，容易處理,同時受控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。,8.核聚變的利用——可控核聚變,現(xiàn)在的技術還不能很好的控制聚變反應，問題有：,１、熱核反應的的點火溫度很高；,２、如何約束聚變所需的燃料；,8.核聚變的利用——可控核聚變,三種約束極高溫熱核聚變燃料等離子體的途徑：

15、 重力約束； 慣性約束； 磁約束；,,三種約束途徑,8.核聚變的利用——可控核聚變,24,宇宙中主要能源由核聚變提供,太陽發(fā)生的是輕核聚變反應.,太陽能：重力約束聚變,,貝蒂循環(huán)（1938年),,,4個質子的聚變過程中每個質子貢獻6.7MeV,比裂變時每個質子的貢獻大八倍,比化學能大一億倍.太陽釋放的能量相當于每秒種爆炸900億枚百萬噸級的氫彈.天文研究表明,按太陽總質量的75%為氫計算,其熱核反應可維持750億年.,,8

16、.核聚變的利用——可控核聚變,慣性約束核聚變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(chǎn)生大量熱能。這種爆

17、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。,慣性約束法,8.核聚變的利用——可控核聚變,26,氫　彈：慣性約束聚變,輕核聚變反應中,氘(d)與氚(T)的反應截面最大而釋放能量最多：,氘化鋰(　　　)可作為氫彈的原料,,,氫彈的原理：引爆普通炸藥引發(fā)裂變反應, 產(chǎn)生高溫高壓同時放出大量中子,中子與　　反應產(chǎn)生氚，發(fā)生d+T聚變反應.

18、,典型氫彈（裂變彈）的能量,欲使這兩部分能量相對減少,就要增加產(chǎn)生的中子數(shù)量,使聚變的貢獻大于裂變貢獻,這使人們進一步研究中子彈.但純聚變彈至今仍實現(xiàn)不了.,氫彈的本質是利用慣性力約束高溫等離子體(動力性約束).,人工約束較為成功的是激光慣性約束,此外還有電子束、重離子束的慣性約束方案,但這些人工慣性約束目前還僅限于理論,實踐上還未獲成功.可控核聚變最有希望的是磁約束.,8.核聚變的利用——可控核聚變,27,1952年11月1日，世界的

19、第一顆氫彈在太平洋的埃尼托威克環(huán)礁上方引爆，震撼了天際。這場美國的試爆行動代號「艾薇麥克」，把附近島嶼的植被全部連根拔起、造成了一個直徑超過一英里的坑，並把大塊大塊受到放射線污染的珊瑚炸到50公里以外的地方。,28,1967.6.17，中國第一顆氫彈在西部地區(qū)上空試爆成功。（距中國第一顆原子彈試爆成功不到3年）,8.核聚變的利用——可控核聚變,,,磁約束,托卡馬克,,Tokamak — 是一種環(huán)形磁容器,磁約束 和 托卡馬克,磁場

20、可以約束帶電粒子,磁容器可盛裝和約束高溫等離子體,,8.核聚變的利用——可控核聚變,構成托卡馬克環(huán)形磁容器的三個基本磁場： 縱向磁場； 極向磁場 等離子體電流磁場,等離子體電流,極向場線圈,縱場線圈,,,,,托卡馬克環(huán)形磁容器的基本構成,Tokamak (托卡馬克）— 是一種環(huán)形磁容器,8.核聚變的利用——可控核聚變,托卡馬克等離子體的加熱,通常用“聚變三乘積和增益Q值”來衡量等離子體的品質參數(shù)。勞遜判據(jù)：要達到能量得失

21、相當，要求等離子體密度n與等離子體能量約束時間的乘積 n×τE的最小值約為0.6×1020m-3s，即滿足聚變反應物理可行性的最低要求。若QDT=1，則要求n?T 乘積達到 2×1021 m-3s keV,聚變反應率隨溫度急劇增加,聚變等離子體持續(xù)燃燒需要有足夠的高溫、高密和長時間的約束，即滿足所謂勞遜判據(jù)。考慮軔致輻射損失后的勞遜判據(jù)要求nT?E大于3?1021 m-3 keVs。對于大型托卡馬

22、克裝置溫度T=10 keV，離子密度1?1020 m-3，得到能量約束時間要達3s以上。,受控核聚變研究的發(fā)展,50’s：建立了最初的小型磁約束裝置60’s：建立了成功的托卡馬克裝置70’s：建立了中型尺寸的托卡馬克80’s：建立了大型的托卡馬克90’s：達到了聚變功率得失相當水平2006：協(xié)議建造國際熱核實驗反應堆ITER,,ITER歷史發(fā)展過程,ITER 的計劃開始于1984年（蘇聯(lián)、美、日、歐盟）1998年完成第一輪工

23、程設計（建造費100億美元）； 2000年完成第二輪工程設計（建造費50億美元）并宣布了新的參加規(guī)則.俄、美、日、歐盟,中,韓國,印度 宣布參加05年6月28日在莫斯科會議上正式宣布將建在法國的Cadarache提交各國議會討論通過后， 06年11月21日簽署合作協(xié)議07年總部成立，ITER 項目 正式開始建造,ITER,EAST,,與ITER 計參劃的七方,8.核聚變的利用——可控核聚變,ITER的典型參數(shù),尺寸：2

24、4 m （高）30 m（直徑）大半徑：6.2 m小半徑：2 m磁場： 5.3 T等離子體體積：850 m3放電持續(xù)時間：3000 s加熱功率： 73 MW (I)聚變功率：500 MW功率增益Q：10,8.核聚變的利用——可控核聚變,可自持的受控核聚變反應堆,使用已有的氘和氚建立等離子體放電，達到聚變反應條件聚變反應生成中子、能量和氦，氦被排除用中子與裝置內的鋰發(fā)生核反應，生成氚，回收氚用生成的氚繼續(xù)與

25、氘發(fā)生聚變反應能量被吸收，產(chǎn)生蒸汽發(fā)電,8.核聚變的利用——可控核聚變,可控核聚變研究（我國等離子體物理研究所）,包括HT-7超導托卡馬克裝置本體、大型超高真空系統(tǒng)、大型計算機控制和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、大型高功率脈沖電源及其回路系統(tǒng)、全國規(guī)模最大的低溫氦制冷系統(tǒng)、兆瓦級低雜波電流驅動和射頻波加熱系統(tǒng)以及數(shù)十種復雜的診斷測量系統(tǒng)。 在十幾次實驗中，取得若干具有國際影響的重大科研成果。特別是在2003年3月31日，

26、實驗取得了重大突破，獲得超過1分鐘的等離子體放電，這是繼法國之后第二個能產(chǎn)生分鐘量級高溫等離子體放電的托卡馬克裝置。,中國第一個超導托卡馬克核聚變試驗裝置 HT-7,8.核聚變的利用——可控核聚變,,EAST或者稱“實驗型先進超導托卡馬克”，是一臺全超導托卡馬克裝置。 EAST可能將成為世界上第一個可實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運行、具有全超導磁體和主動冷卻第一壁結構的托卡馬克。該裝置有真正意義的全超導和非圓截面特性，更有利于科學

27、家探索等離子體穩(wěn)態(tài)先進運行模式，其工程建設和物理研究將為“國際熱核聚變實驗堆”（ITER）的建設提供直接經(jīng)驗和基礎。,世界上第一個全超導托卡馬克 EAST,由于核心裝置都是全超導非圓截面托卡馬克，我們的EAST被同行們稱為“小ITER”。,可控核聚變研究（我國等離子體物理研究所）,8.核聚變的利用——可控核聚變,人類的發(fā)展，即是追求夢想的旅程。 不久的將來，一顆“人造小太陽”將在地球上冉冉升起。,,8.核聚變的利用——可控核