1、核动力工程与辐射科学,（上）,匡 波上海交通大学 核科学与工程学院 2012年,第二章 原子与原子核能,2.1 原子内部特性, 原子结构 原子模型 核素及其表示 同位素 原子核的质量,一、原子结构,原子,原子的尺寸：10-10m,原子核的尺寸：10-15m,一张纸的厚度相当于10000个原子的厚度,二、原子模型,质子和中子的质量很相近，分别为电子质量的1839和1837倍。,核素：(具有质子和中子的)原子核称为核素；核素是原子核一种统称。,三、核素及其表示,电子 me = 9.110-31 kg= 5.4810-4 u = 0.511 MeV/c2 质子 mp = 1.007276 u = 9
2、38.256 MeV/c2 中子 mn = 1.008665 u = 939.550 MeV/c2,原子核质量 = 原子质量 - 全部电子的质量MN(Z, A) = Ma(Z, A) - Z me 忽略电子的结合能（eV量级），原子的质量可以用质谱仪精确测量； 原子核质量也可精确确定。,四、原子核的质量,2.2 元素的同位素,具有相同质子数，不同中子数 同位素。 同位素具有相同的化学性质，但可能有不同的物理特性。同位素中有的会放出射线，称为放射性同位素或放射性核素，其余叫做稳定同位素。,2.3 物质的放射特性,放射性 原子核的衰变 放射性衰变 衰变 衰变 衰变 放射性衰变基本规律 半衰期 放射
3、性活度 射线与物质相互作用,原子核放射各种射线的现象,放射性,主要射线种类,氦原子,负或正电子,电磁波,一、放射性,衰变,衰变,衰变,例如，核素X的 衰变如下表示：式中，Y为新产生的核素。,二、物质的放射性与原子核衰变,原子核为什么会发生放射性现象？,如果某种核素是稳定的，它的核内中子数与质子数的比例必须在某一狭窄范围之内。 当质量数较小时，稳定核素的中子-质子数之比（中质比）基本为1。 随着质量数增加，稳定核的中子-质子比例由1.00一直增加到大约1.56。 当某种原子核内中子数与质子数的比例超出与质量数相应的稳定界限以外时，该核就具有放射性。 不稳定的核向更稳定的方向自发地发生变化。, -
4、, + 或 k 俘获,从母核中射出 的4He核,粒子得到大部分衰变能,238U4He + 234Th,放射性母核,衰变, 衰变的性质, 能辐射 射线的物质的原子序数都大于82； 母核放出的 粒子具有一定动能； 5兆电子伏的 粒子在空气中的射程约7厘米，在铅中约 0.06毫米，在人体组织中约 43微米。所以一般 辐射的 粒子对人体外照射的损伤很小，通常不予考虑； 但是， 粒子的电离本领很大，所以主要防止放射性物质进入体内产生内照射。,衰变241Am(镅) 237Np(镎), 衰变(例),发生原因：母核中子或质子过多,质子转变成中子，并且 带走一个单位的正电荷,中子转变成质子，并且 带走一个单位的
5、负电荷, 衰变, 衰变的性质, 射线的能量对不同核是不同的，大致为十几keV到3MeV。 由于这种粒子的质量小，只带一个电荷，其射程比 粒子长，但产生电离的能力比 粒子弱。 完全吸收 射线所需要的物质长度：铝约5毫米，铅约1毫米。, 衰变 3H 3He,负衰变(例),正 衰变(正电子发射) 11C 11B, 正衰变(例),中微子, 衰变, 从原子核中发射出光子。 常在 或 衰变后核子从激发态退激时发生。 产生的射线能量不连续。 可以通过测量光子能量来鉴定核素种类。, 衰变特点, 衰变 3He 3He, 衰变(例), 衰变, -衰变, +衰变(正电子发射), 衰变, 轨道电子俘获：原子核从核外电
6、子层中俘获一个电子，转变为另一种核素原子核的过程。 如果原子核的能量足够，就可以从核外电子壳层中俘获一个电子，而使自己转变为另一个原子核，并放出一个中微子。 如果核俘获K层轨道电子，就叫“K俘获”；俘获L层轨道电子，就叫“L俘获”。因为K层电子离原子核最近，所以K俘获几率最大。,轨道电子俘获,指数衰减规律N = N0e-t 式中： N0：t = 0时放射性原子核数目；N：经过t时间后未发生衰变的放射性原子核数目；： 放射性原子核衰变常数，大小只与原子核本身性质有关，与外界条件无关；数值越大衰变越快。,三、放射性衰变基本规律,定义：一定量某种放射性原子核衰变至原来一半所需要的时间。,经过n个半衰
7、期后，未发生衰变的放射性原子核数目是原有的1/2n。,四、半衰期 (T1/2),部分核素的放射性半衰期,定义：放射性核素在单位时间 (dt) 内发生核衰变的数目(dN),A=-dN / dt,单位：SI: Becquerel(Bq) 1Bq=1s-1居里 1Ci=3.71010Bq实际上1Ci就相当于1克镭与它的子系氡在平衡时的放射性。,五、放射性活度（activity, A),辐射效应射线同物质的相互作用 特征 同原子中的其它粒子产生动量和能量的相互传递 置换或打出原子内部的其它粒子，从而改变物质的种类或特性 典型的相互作用结果 电离作用 & 电离效应,六、核辐射与物质的相互作用,电离作用,
8、物质中原子被电离，在粒子通过的路径上形成许多离子对(ion pair)。 离子带正电或负电，因此能被测量到。,。 。 。 。原子。, n,部分地或全部地吸收,部分穿透出去,电离作用 光电效应,核辐射应用技术, 物质特性改变 材料改性、育种、治癌、治理污染的环境等, -刀，治癌,改良品种,PET-正电子发射断层扫描机,XCT-X射线CT扫描机, 射线的穿透性,带电粒子与 射线,、 射线穿过物质时的特性 物质发生电离或者电子激发； 扰动物质中的原子或电子。 粒子 正电荷： 4He 质量重：能量大，但穿透能力差，射程短 在反应堆中的影响可以忽略 粒子 负/正电荷：e-/e+ 质量轻，但穿透能力强，射
9、程长 射线 不带电 穿透能力极强,电离的作用,作用 使化合物的化学键破坏而分解成单体。共价键结合的化合物 有机化合物及水等无机化合物，外层电子由两个原子共用，抗分解能力差；分解一个共价键需25eV。离子键结合的化合物 较活泼的金属元素和活泼的非金属元素，电子从一个原子转移到另一个原子，形成阴离子和阳离子，分子间靠离子间的强烈静电吸力，分解能力差。金属键结合的金属 自由电子； 不会产生永久的辐射效应。,中子的辐照损伤, 间隙原子、空穴：一个原子从点阵平衡位置移到两个平衡位置之间的不平衡位置时称间隙原子，它留下的空位称空穴。每一间隙原子必有一个相应的空穴。 辐照损伤：由于辐射作用而产生间隙原子及点
10、阵中相应留下空穴，就或多或少会在晶体中造成永久的缺陷，从而引起材料物理性质的永久变化。这样的效应通常称为辐照损伤。,2.4 核反应,自发裂变, 自发裂变是原子核在没有受到外界激发下而自行分裂的过程，它是一种特殊类型的核衰变。这个现象是由前苏联物理学家弗廖洛夫和佩特扎克于1940年发现的。 质量为中等以上的核，尤其是一些重元素，如铀-236，从能量的角度讲都具有自发裂变的可能。例如，在1克铀中每小时约有20个铀核会发生自发裂变。这对反应堆启动有明显的帮助。, 定义2个原子核或1个原子核和1个粒子（如中子、 光子等）接近到10-15米量级时，两者之间的相互作用所引起的各种变化过程称为核反应。 性质
11、核反应所涉及的能量变化比一般的核衰变大得多，通常大于一个核子的结合能，可以高达1001000MeV，因而它是研究原子核高激发能级的重要手段。,核 反 应,核反应与化学反应的区别, 核反应吸收或释放出来的能量要比化学反应吸收或释放出来的能量大得多。例如，一个铀原子放射出 射线的能量比一个碳原子燃烧释放出来的能量几乎大106倍。 核反应只涉及原子核，而与电子无关。 例：碳原子的核特性是相同的，无论是纯净的碳还是碳与其他元素的化合物（二氧化碳、石蜡、碳氢化合物等）。,中子核反应, 中子核反应（n，）反应 （n，p ）反应 （n，）反应 （n，n）反应 （n，2n）反应 （n，f）反应,（n， ）反应
12、, 中子辐射俘获反应 吸收一个中子，放出 射线的过程； 具有强俘获反应的材料可以用于作为控制材料 例：113Cd（n，）114Cd 镉 当中子能量为0.176eV时，镉吸收中子的能力远远大于能量小于这个数值时的能力，即出现共振吸收； 因此经常采用镉作为吸收热中子的物质； 反应堆中常用镉作控制棒的组成材料，吸收中子以调节堆功率。 人工制造 - 放射性同位素的有效方法 中子辐射俘获反应使原子核的中质比增大，反应产物常具有 -放射性， 例：利用铀-238中子辐射俘获反应，可以制造出核燃料钚。 需要重核作为屏蔽材料 在防护 辐照时，需要重核（如Pb）作为屏蔽材料。, ( n, p )反应 吸收一个中子
13、，放出一个质子p的过程； 需要大能量用于分离能和库仑位垒 由于出射粒子是质子，它除了需要足够大的分离能以外，还需要有相当大能量用来克服库仑势垒； 一般慢中子引起这种反应的几率较小；重靶核发生这种反应的几率很小，轻核的几率比较大。 (n，p) 反应例 14N（n，p）14C，3He（n，p）3H等； 但当中子能量增加时，较重核也可发生（n，p）反应。 具有 - 放射性 (n，p)反应使剩余核的中质比增加，中子过多，所以具有 - 放射性； 例：上例中产生的剩余核碳-14就具有 -放射性。,（n，p）反应, (n, ) 反应 吸收一个中子，放出一个 粒子的过程。 需要大能量用于克服分离能和库仑势垒
14、轻核易发生(n， ) 反应； 慢中子引起重核的（n, ）反应的可能很小。 (n, ) 反应例 6Li（n，）3H、10B（n，）7Li 反应等，其中子吸收截面很大； 常利用硼-10 和锂-6作为中子探测材料；聚变反应中的氚增殖包层也常利用6Li（n，）3H反应。 常利用含硼石蜡作为中子的屏蔽材料。,（n, ）反应, 中子与原子核的弹性散射过程 中子在散射后，运动方向和动能发生改变； 靶核则受到反冲。 需要轻核作为屏蔽材料 靶核质量数愈大，中子损失的能量愈小； 在防护中子辐照时，需要选择质量数较小的轻物质才行。,（n, n）反应, 释放出二个中子的过程 当入射中子的能量足够大时，复合核处于很高的
15、激发态，以致足以释放出2个中子，即（n，2n）反应； 这种反应是吸能反应，因此具有一定的反应阈。 具有+放射性 （n，2n）反应使核的中质比变小，所以剩余核往往具有+放射性； 当入射中子能量更高时还可以发生（n，3n）反应、（n，2np）反应等。 （ n，2n）反应例 55Mn (n，2n) 54Mn、9Be (n，2n) 8Be、27Al (n，2n) 26Al等反应，它们的剩余核锰-54、铍-8、铝-26均具有+衰变及轨道电子俘获放射性。,（n，2n）反应,（ n, f ）反应, 裂变反应 中子与重核作用，重核分裂成2个碎片，平均放出2 3个中子，并放出大量能量特性后面将详细介绍,核子的相
16、互吸引力 核 力, 核力是短程强相互作用； 它比电磁相互作用强130倍左右，作用距离只在非常邻近的核子之间。,为何这么多带正电荷的质子能紧密结合？,电磁力,重力,原子核的尺寸：10-15m 原子的尺寸：10-10m,核力的相互作用距离： (1.4 1.5) 10 -13m,核力,质量亏损, 对原子核质量作精确测定时，它比组成它的质子和中子的质量之和要小，即原子核结合前后的核子质量有差异； 亦即，单个核子的质量总是比结合在原子核里的每个核子的质量大； 由于核子间强大的核力的作用，迫使核子排列得很紧密，结果发生了质量减少的现象； 这种质量的差异，称为质量亏损； 不同的原子核，总质量亏损不同，核子平
17、均的质量亏损也不同。, 爱因斯坦指出： 质量只是物质存在的形式之一； 物质的另一种存在形式是能量。 能量和质量的（等价）关系：E=mc2,质量能量,质能方程,原子核结合能：1+12, 原子核的质量不等于核内组成的中子和质子质量之和。 单个核子组成原子核时，由于核子间强大的核力作用，迫使核子相互强力碰撞而紧紧地结合时，发生了质量减少； 核子在结合形成原子核前后的质量差值，称为质量亏损。 按质能方程，这部分质量就对应于核子在结合时放出的能量，称为原子核的结合能。,结合能的利用核能, 每个核子平均结合能称为比结合能； 比结合能反映该原子核核子结合紧密程度； 中等核比结合能最大(质量亏损大)； 轻核和
18、重核的比结合能小(质量亏损小)。,2.5 核裂变原理, 重核裂变 裂变临界能量 裂变产物 裂变产生的中子 裂变能量 链式裂变反应 维持链式裂变的条件 临界质量 裂变维持的条件 临界,重核裂变,自发裂变:无需外界作用就有自发分裂的趋势。自然界中某些质量数很大的原子核，如U-236有自发裂变现象。 诱发裂变：在中子轰击下发生的裂变。 链式裂变反应：裂变过程中，有中子释放出来，这样就可能形成链式的裂变反应，从而源源不断地产生核能。,铀-235，平均每次裂变放出2.4个中子，同时放出约200MeV的能量。,重核为何会裂变？ 液滴模型,复合核,核裂变是中子轰击原子核，原子核接受中子后变得不稳定，从而分裂
19、。,复合核从变形到分裂需要能量，所需的最小能量称为裂变临界能量。,裂变的条件：(1) 易裂变材料；(2) 外部入射的自由中子；(3) 入射中子能量大于裂变临界能量。,裂变临界能量,复合核从变形到分裂需要能量，所需的最小能量称为裂变临界能量。,易裂变材料,裂变核燃料,在任意能量的中子作用下发生核裂变反应，这些核素称为易裂变（fissile）核素， 铀-235 铀-233 钚-239 钚-241 在天然铀中， 铀-235只占0.72% 铀-238约99.28% 还有极少量铀-234,鈣铀云母,铜铀云母,天然铀,裂变核燃料的生成,铀-钚循环,钍-铀循环,可裂变材料：fissionable,裂变产物,
20、 定义：在铀-235裂变反应时，会形成60余种不同的碎片，通过衰变产生约250种不同的核素，称为裂变产物； 铀-235的裂变产物质量数分布概率曲线呈现出两个明显的峰，分别位于质量数为95和140附近； 铀-233和钚-239的裂变产物质量数分布概率曲线与铀-235的十分接近。,裂变产物,裂变产生的中子,快中子( 0.1MeV),99.3% 瞬发中子,0.65% 缓发中子,裂变后百万分之一秒左右放出(10-14s) 能量约在12MeV范围内，速度为1400020000km/s,热中子 (0.1eV),裂变后几mins几hrs内逐渐释放出来平均能量约在0.5MeV左右,裂变能量(1), 反应前后的
21、质量,质量亏损：236.132 67-235.9170.215（u）,裂变能量(2), 一个铀-235核裂变方式产生的能量 己知1u的总能量为931MeV，则，0.215931=200（MeV） 裂变能的存在形式 裂变能的大部分（约80%）是以碎片动能的形式出现的。它们很快被周围的介质减速，将能量逐步交给介质。 约有20%的能量由瞬发 射线和中子带走。其余的能量随着裂变产物的放射性衰变，通过 和 辐射的形式逐渐放出。 1g铀-235核裂变释放的能量 1g铀-235的原子数为：6.0231023 / 235.14=2.5621021 1g铀-235核全部裂变时，释放出的总能量为：5.131023
22、MeV，它相当于8107kJ热量，而燃烧1g标准煤平均只能得到29kJ的热量 铀-235裂变释放出的能量比燃烧煤大270万倍!,裂变能量(3),比较 : 裂变能 n + 235U X + Y+ E 200 MeV 化学能 C + O2 CO2 + E 4 eV汽油与氧的爆炸，一个分子释放 40-50 eVTNT 爆炸自身释放能量，每个分子 30 eV,链式裂变反应, 自持式链式裂变反应 核爆炸原理 每次反应产生2.4个中子，引起下次反应 可控链式裂变反应 核电厂反应堆原理 控制发生裂变的中子数，控制反应速度,如何才能使链式反应不变成原子弹似的在瞬间倍增，而是维持不变的核反应速率？, 必须保证每
23、次裂变放出的中子平均只有一个用于其它核素的裂变,办法是：设法用非裂变方法将裂变放出的多余中子“抢走”,临界体积,维持链式裂变的条件 临界质量,产生的中子数=被吸收的中子数,一定要维持一定量的中子数，才能保证链式反应延续,裂变维持的条件临界,临界：堆芯产生的中子数=堆芯被吸收的中子数,堆芯,核电站主控室,2.6 核聚变,各种能源储量和可用年数 （按目前消耗水平）,煤和DT聚变所耗燃料和产生废料对比 （一天提供109W电能）,聚变和裂变堆关闭后的放射性,轻核聚变-热核反应 聚变反应 聚变反应堆 聚变需要巨大能量的启动 磁约束 托卡马克装置 惯性约束和聚爆理论 人类的梦想 可控核聚变反应堆,轻核聚变
24、 热核反应, 两个较轻的核聚合成一个较重的核，由于比结合能的巨大变化，会有大量能量释放出来。 一个氢的同位素氘核能够与另一个氢的同位素氚核聚变成一个氦核：同时放出17.2兆电子伏的能量。 发生聚变反应的条件十分苛刻,因必须在极高的压力、温度条件下，轻核才有足够的动能克服静电斥力而发生持续的聚变。,聚变反应也称“热核聚变反应”或“热核反应”,聚变反应, 定义：由两个轻核聚合成一个原子核同时释放出巨大能量的过程称为核聚变，又称为热核反应。 结合能：计算表明，将2个氘核聚合成1个氦-4核时，可以释放出约20MeV的聚合能，这比相同质量的铀核分裂所放出的能量大4.7倍。 一些较轻的原子核，如氢、氘、氚
25、等最容易释放出聚变能。例如氘氚反应是最有希望的一种聚变反应：D-T反应：,D-T反应,能量回收率,D + D T(1.01MeV) + p(3.03MeV)D + D 3He(0.82MeV) + n(2.45MeV)D + T 4He(3.52MeV) + n(14.06MeV)D + 3He 4He(3.67MeV) + p(14.67MeV),主要聚变反应,聚变反应截面,几种聚变反应比较,可控聚变反应堆探秘,氘-氚聚变释放的能量是铀-235裂变释放的能量的4.7倍 !,聚变需要巨大能量启动, 聚变需要巨大能量启动 氢弹使用原子弹点火 高温等离子体,只有当两个原子核相互接近达到约万亿分之三
26、毫米时核力才能起作用；,氢的各种同位素的质子数最少，所以互相间静电斥力最小，在人工的条件下最容易聚变。,点火条件：仅用反应产生的、约束在磁场内的粒子维持反应所需的温度，而无须外加热。,Lawson判据:考虑到聚变反应所产生的所有能量经一定转换效率（一般设为1/3）返回加热等离子体，并考虑到轫致辐射损失，得到反应可持续下去的条件。,等离子体的约束,引力约束,磁约束,惯性约束,磁 约 束,磁瓶或磁笼,磁 约 束, 托卡马克 托卡马克是磁线圈圆环室的俄文缩写，又称环流器。 第一个托卡马克装置于1954年在前苏联库尔恰托夫原子能研究所建成。,托卡马克装置,托卡马克装置的结构,托卡马克的进展 （和芯片、
27、加速器比较）,托卡马克的进展,D型截面,超导线圈,偏滤器,DT处理,ITER（国际热核实验堆）将建在法国的Cadarache,该装置的建造目的是：研究通过持续核聚变反应来发电的可行性。 * 产生和研究：维持400秒的感应驱动燃烧等离子体 * 产生和研究：稳态非感应驱动燃烧等离子体 * 检验主要聚变堆技术（ITER-TBM） * 堆部件试验，包括氚处理它所研究的燃烧等离子体物理问题有： * 高能粒子效应 * 自加热效应 * 堆尺度物理问题,ITER（ International Thermonuclear Experimental Reactor ） 国际热核实验堆,ITER计划的最初构想由前苏
28、联于1985年11月美苏日内瓦峰会上提出，自1988年启动； 六个参与国：欧盟、美国、俄罗斯、日本、中国和韩国 印度； 该计划十分接近商用； 2005年6月28日确定在法国Cadarache建造； 2006年开始，2015年正式运行； 1500MW热功率，500MW电功率； 总造价46亿美元； 中国将承担总造价的10，并享受全部知识产权； 第一座示范堆将于2030年建造； 第一座商用核电厂将于2050年实现。,大半径 6.2 m 等离子体小半径 2.0 m 拉长比 1.85 环向磁场 5.3 T 等离子体电流 15 MA 辅助加热和电流驱动功率 73 MW 平均电子密度 1.1 1020 m-
29、3 平均离子温度 8.9 keV 峰值聚变功率 500 MW,ITER主要参数,偏滤器,真空室：盛放等离子体； 粒子回旋系统（中性束注入器）：将加速器释放的粒子束注入等离子体中，以将等离子体加热到临界温度； 磁场线圈：用磁场约束、定型、抑制等离子体（超导磁体）； 中央螺线管：为磁场线圈供电； 冷却设备（制冷机、低温泵）：用于冷却超导磁体； 包层模块： 用于吸收聚变反应中热量与高能中子(氚增殖或发电）； 偏滤器：排出聚变反应中的氦产物。,ITER预计工程进展,聚变反应堆原理,通往聚变之路,聚变-裂变混合堆,核工业西南物理研究院(585所)设计的聚变-裂变混合堆,238U + n 239Pu,聚变
30、裂变混合堆核电站,核燃料裂变或嬗变，聚变与裂变共存在一个反应堆,1952年，美国第一次Sherwood方案会议在Denver举行。在以后几年里，发展了仿星器、磁镜、箍缩等装置。1957年，英国环形箍缩装置ZETA运行。1958年，国际和平利用原子能会议在日内瓦召开。各主要国家将聚变研究解密。1961年，IAEA第一次国际核聚变会议在萨尔茨堡召开。 1964年，苏联研制T-3装置，大半径1m，环向磁场2-2.5Tesla，电子温度达到600-800eV。1968年，苏联在新西伯利亚会议上公布托卡马克上的结果。1969年，英国Calham实验室的科学家携激光散射测量装置去苏联T-3装置实地测量，证
31、实确实达到很高的电子温度。 1970年，各国开始建造自己的托卡马克。1974年，美国公布角向箍缩装置Scyllac的结果。1979年，美国串列磁镜TMX成功验证串列磁镜概念。,磁约束聚变研究历史,1985年，苏美首脑建议合作建造国际热核实验堆，即ITER1989年，德国ASDEX实现H模运转。1990年，ITER完成概念设计1991年，欧洲的JET装置用DT反应产生1.7MW聚变功率。1993年，美国TFTR装置用DT反应产生6.4MW聚变功率，后来又将这一功率提高到10.7MW。1997年，JET又创造了DT反应产生16.1MW聚变功率的新记录。1998年，日本JT-60装置的DD反应的实验
32、参数的等效DT反应能量增益因子Q达到1.25。ITER完成工程设计2005年，参加ITER计划六方决定将装置建在法国,磁约束聚变研究历史（续）,目前世界上最大的托卡马克装置有: 美国的TFTR、欧洲的JET、日本的JT-60、俄罗斯的T-15, 这些装置都是可以进行点火试验的第三代托卡马克。,我国磁约束聚变研究机构的演变 （1958-2005）,中核集团中科院高等院校,1958年，中国科学院原子能研究所二部（现原子能科学研究院）开始磁约束聚变的研究。中国科学院物理研究所，以及电工研究所、北京大学、复旦大学相继开展磁约束聚变研究。1959年，原子能研究所建成脉冲磁镜“小龙”。第一届全国电工会议在
33、北京召开。1962年，卢鹤绂、周同庆、许国保受控热核反应出版。第二届全国电工会议在哈尔滨召开。黑龙江原子核研究所建成一台小型角向箍缩装置。1965年，东北技术物理研究所（原黑龙江原子核研究所）与原子能研究所十四室合并，迁往四川乐山，称西南585所。1966年，第三届全国电工会议在哈尔滨召开。,电工会议时期（准备阶段）,1969年，中科院物理所建成一台角向箍缩装置，并得到聚变中子。1971年，西南585所的仿星器“凌云”建成。1974年，中科院物理所和电工所成功研制CT-6托卡马克。“受控核聚变研究工作交流会”在乐山召开。1975年，中科院在安徽合肥筹建等离子体物理研究所。西南585所超导磁镜装
34、置303建成。中国科学技术大学建立等离子体专业。1980年，核聚变（核聚变与等离子体物理）创刊， 1981年，中国核学会核聚变与等离子体物理学会成立。徐家鸾、金尚宪等离子体物理学出版。1982年，项志遴、俞昌旋高温等离子体诊断技术出版。,文革和后文革时期（整合阶段）,1984年，核工业西南物理研究院研制成功HL-1环流器装置。同年，中科院等离子体物理所研制成功HT-6M托卡马克装置。1988年，马腾才、胡希伟、陈银华等离子体物理原理出版。1991年，中科院等离子体物理所建成超导托卡马克HT-7。1994年，核工业西南物理研究院将HL-1改装成HL-1M。1999年，石秉仁磁约束聚变：原理和实践
35、出版。英文刊物Plasma Science & Technology创刊。2002年，核工业西南物理研究院建成HL-2A装置。中科院物理所、清华大学合作，建成一台球形托卡马克SUNIST；华中科技大学将美国的TEXT装置引进国内。2005年，我国决定加入ITER。中国科学院等离子体物理研究所建成超导托卡马克EAST。,改革开放时期（攀登阶段）,我国第一个有偏滤器的环流器HL-2A,超导托卡马克EAST,EAST安装现场（2005/1）,我国的装置参数的地位,磁约束聚变装置类型,托卡马克 球形托卡马克 仿星器 磁镜 箍缩装置 球马克 内环装置,聚变装置类型在位形-时间平面上的分布,SUNIST装
36、置（球形托卡马克） （清华大学，中科院物理所）,START等离子体照片,惯性约束聚变和聚爆理论,利用激光使氘氚小球聚变，相当于引爆了一个微型氢弹。为了使激光加热靶丸产生聚变的能量达到可以实用的规模，必须使激光的能量达到几千万到几十亿焦耳。要想得到如此大的激光能量，是难以想象的。因此激光聚变虽然是可行的，却使科学家们望而生畏。,惯性约束聚变(ICF),聚爆理论,为使激光聚变达到点火条件，并产生有增益的能量输出，除了要提高激光的能量外，还要求精确控制激光的照射方式。 在以十亿分之几秒计的过程中，一共包括冕区形成、表层喷射、多次聚心压缩和芯部点火4个阶段。这4个阶段要求在时间上有精确的衔接，在空间上
37、有精确的同步，这需要极其高超的技术和工艺！,ICF 是用下述方式实现受控聚变:在极短时间内将高功率能量倾注到少量(几mg) 的聚变燃料靶丸(如右图, 靶丸是一直径约1mm的空心小球, 球内装几毫克D和T的混合气体或固体, 制备小球的材料可以是金属或玻璃, 也可是塑料) 中去，燃料被急剧加热并迅速转变成高温等离子体, 其中粒子必将高速向四面八方飞散。然而, 关键在于加热时间非常短暂，由于粒子惯性飞行一定范围必须有一定时间, 就在它们还没有飞出反应区之前, 热核聚变反应已经完成了。这就是ICF 的基本原理。可以说，ICF是不需要任何人为的外界约束条件, 而是利用物质本身运动特性来达到约束；也可以说
38、ICF是没有约束的受控聚变。引发聚变的高功率能源, 人们称为“驱动器”。, 1960 年代，激光技术出现，激光的最大特点是它具有极高的功率和高度的方向性，不久就有人提出用激光作为驱动器来打氘-氚靶, 以实现受控惯性约束聚变，于是产生了“激光聚变”。此后几十年，人们在此项研究中取得许多重大成果, 主要致力于提高激光能量、改善激光品质、提高激光吸收效率和辐照均匀度等。向心聚爆的原理是: 用多路高功率激光束同时从四面八方对称地照射在燃料靶丸上, 激光能量快速而均匀地将靶的壳层加热, 使之迅速变成高温等离子体。这些等离子体快速膨胀，火箭般喷向四面八方。喷射反作用力产生向心冲击波压缩里面的燃料, 冲击波
39、在靶中心会聚将燃料压缩到高密度, 随着燃料密度增大, 温度也升高, 冲击波在靶芯会聚时, 等离子体达到点火条件发生聚变反应。,激光聚变与粒子束聚变, 除激光外, 后来又出现粒子束聚变, 即以粒子束作驱动器。,目前用作ICF 研究的高功率激光器, 首先是钕玻璃激光器。它是一种固体激光器, 激光波长为1.06m，经三倍频后得到0.353m 激光。这种激光与物质的耦合效率较高，人们对它的研究也比较透彻。世界上许多激光聚变实验室进行打靶实验都使用这种激光器，而且一次次具有里程碑意义的重大成果也都是在钕玻璃激光器上作出。,上海光机所建造的大型激光装置“神光”,准分子KrF激光器是一种新兴的非常有希望作为
40、ICF驱动器, 这是由于KrF具有一些优良特性： KrF激光器效率高； 波长短， = 0.248m，与物质能进行高效耦合； 它是气体激光器, 可以自补，重复性好； 频带宽(1THz)，适于束的平滑。KrF激光器这些优良特性吸引了许多实验室积极进行开发研究和规划，这些工程已经导致许多完整的KrF 激光系统的建立。现在最大的KrF 激光器要算美国海军实验室的NIKE，它有56 路光束, 总能量为3000J，以后打算增至百万J 级，可作ICF 能源之用。它的本征效率已达到8%，理论上可达12% 或14%。计算表明，若效率达到7%，即可作商用，用NIKE已做过平面靶打靶实验，靶得到加速，结果喜人。此后
41、他们又提出能量为2MJ的装置设想。KrF激光器目前尚处于早期发展阶段。,中国的天光I号KrF 激光装置建在北京的中国原子能科学研究院, 已经不断地取得很好的成果。它曾经发出6J、15J、100J 的能量, 经改进其激光质量不断得到改善, 能量已达到了400J。,激光聚变过程,激光聚变点火过程,自从1994年被称为“国家点火设施”的激光核聚变计划被正式签发以来，美国科学家便将希望寄托在这国家点火装置(NIF)上了。国家点火装置(NIF)位于美国加利福尼亚州劳伦斯-利弗莫尔国家实验室，有850名科学家和工程师。另外约有100名物理学家在那里设计实验。国家点火装置(NIF)长215米，宽120米，大
42、约同古罗马圆形竞技场一样大，是目前世界上最大和最复杂的激光光学系统，它将模拟同太阳和其他恒星内部相似的条件，使氢原子核发生聚变形成氦核，并释放能量，其目的是成为第一个突破平衡点的设施，即激光在聚变反应中产生的能量大于它们所消耗的能量，从而在实验室条件下实现人类历史上第一次聚变点火。,NIF注入激光系统由主振室、预放模块、输入探测包和预放光束传输系统四部分构成,负责产生全系统的种子脉冲,经时、空整形、位相调制、放大和分束后,实现焦耳级输出。它将192条激光束集中于一个花生米大小的、装有重氢燃料的目标上。每束激光发射出持续大约十亿分之三秒、蕴涵180万焦耳能量的脉冲紫外光这些能量是美国所有电站产生的电能的500倍还多。当这些脉冲撞击到目标反应室上，它们将产生X光。这些X光会集中于位于反应室中心装满重氢燃料的一个塑料封壳上。NIF研究人员估计，X光将把燃料加热到一亿度，并施加足够的压力使重氢核生聚变反应。释放的能量将是输入能量的15倍还多。,国家点火装置 (NIF),我国本世纪核能发展战略,受控核聚变反应堆的研究仍漫漫路长, 1984年9月，我国第一台中型聚变装置 中国环流器一号（HL-1）在四川乐山市郊建成。 1992年初，国际上已有人为聚变堆电站的发展排出了进程表： 20202025年 建造核电站聚变模型堆（DEMO）； 2030年开始大规模核聚变发电 。,
