核聚变反应堆的原理很简单.doc

1、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，

2、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，

3、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

4、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

5、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，根本无法控制氘-氘反应，它太猛烈了，所需要的温度要 高得多，除了在实验室条件下做一次性的实验外，很难让它链式反应下去-那是氢弹一样的威力。还好，人们发现了氘 -氚反应的烈度要小很多，它的反应速度仅 仅是氘- 氘反应的 100 分之一，而点火温度反倒低得多，很适合人类现有条件下的利用。而

6、氚不同于氘，氚是地球上最稀有的元素，由于氚的半衰期只有 12。26 年，所以在地球诞生之初的氚早已衰变地无影无踪了。现在人类的氚都是人工制造而非天然提取的，人们通常用重水反应堆在发电之余人工制造少量的氚- 它是地球上最贵的东西之一，一克氚价值超过 30 万美元，仅在美国保存有 30 公斤左右的氚。这 么贵的原料，用作核聚变发电显然是无法接受的，幸好上帝给人类又提供了一种好东西-锂。锂元素也是世界上最丰富的资源，有 2000 多亿吨。一方面海水中 就包含足够的氯化锂，分离出来即可。另一方面，中国是世界锂资源最丰富的国家，碳酸锂矿也不是稀有资源，更容易获得。锂的 2 种同位素-锂-6 和锂-7，

7、在被中子轰击之后，就会裂变，他们的产物都是氚和氦，目前为止人类在重水反应堆中制造氚，用的就是将锂靶件植入反应堆的方法。在聚变反应堆内，氚和氘反应后，除了形成一个氦原子核之外，还有一个多余的中子，并且能量很高。我们只需要在核聚变的反应体之内保持一定比例的锂原子核浓 度，那么核聚变产生的中子就会轰击锂核，促使锂核裂变，产生一个新的氚，这个氚则继续参与氚-氘反应，继而产生新的中子，链式反应形成了。所以，理论上我 们只需要给反应体提供两种原料-氘和锂，就能实现氘-氚反应，并且维持它的进行。看起来很简单是吧，只是还有一个问题，能够承载上亿摄氏度超高温反应体的核反应堆用什么材料来制造呢？要知道，太阳表面的

8、温度也才只有 6000 万度左右。 迄今为止，人类还没有造出任何能经受 1 万摄氏度高温的材料，更不要说上亿摄氏度了。以上这些因素就是为什么一槌子买卖的氢弹已经爆炸了 50 年后，人类还是 没能有效地从核聚变中获取能量的重要原因。 帖子附图: 中国核聚变研究巨大突破：耗资惊人的人造“太阳”计划 作者:柏弧紫 于 2009-08-28 08:19:46 发表 只看该作者 位于四川省成都市双流县白家镇，核工业西南物理研究院聚变研究试验基地的“中国环流器 2 号 A 装置“ 2006 年 9 月 28 日，中国耗时 6 年、耗资 3 亿元人民币自主设计制造的新一代托卡马克磁约束核聚变装置“EAST“

9、 首次成功完成放电实验，获得电流 200 千安、时间接近 3 秒的高温等离子体放电；使 EAST 成为世界上第一个建成并真正运行的“全超导非圆截面托卡马克“核聚变实验装置。这是中国可控核聚变研究的里程碑式突破。 在古希腊神话中，普罗米修斯从太阳神阿波罗处盗下的天火，照亮了人类的黑夜。在人类现代科技中，可控核聚变技术将照亮人类能源的未来之路，由于可控核聚变反应堆产生能量的方式和太阳类似，因此它也被俗称为“人造太阳“ 。太阳是热核聚变反应的典型代表，1938 年，美国科学家贝特(H。Bethe) 和德国科学家魏茨泽克(C。F。v。Weizsacker)推测太阳能源可 能来自它的内部氢核聚变成氦核的

10、热核反应，这甚至早于核裂变模型的提出。太阳的核心温度高达 1500 万摄氏度，表面有 6000 度，压力相当于 2500 亿个 大气压。核心区的气体被极度压缩至水密度的 150 倍。在这里每时每刻都发生着热核聚变，太阳每秒钟把七亿吨的氢变为氦，在这过程中失去 400 多万吨的质量，这种聚变反应已经持续了几十亿年，它的辐射能量给地球带来无限生机。世界能源危机自人类进入工业化以来，世界能源消耗迅速增长。有数据显示，自 1973 年以来，人类已经开采了 5500 亿桶石油（约合 800 亿吨） ，按照现在的开采速度， 地球上已探明的1770 亿吨石油储量仅够开采 50 年，已探明的 173 万亿立方

11、米天然气仅够开采 63 年；已探明的 9827 亿吨煤炭还可以用 300 年到 400 年。核电站发电需要浓缩铀，世界上已探明的铀储量约 490 万吨，钍储量约 275 万吨，全球 441 座核电站目每年需要消耗 6 万多吨浓缩铀，地球上的铀储量仅 够使用 100 年左右。世界各国水能开发也已近饱和，而风能、太阳能尚无法满足人类庞大的需求。随着石油价格上涨，能源危机再次被提起，各国也加快了新能源研发，核聚变能就是重点之一。与传统的裂变式核电站相比，核聚变发电具有明显的优势。核聚变所 用的重要核燃料是氘，理论上，只需 1 千克氘和 10 千克锂(通过锂可得到氘) 就可以保证一座百万千瓦聚变核电站

12、运转一天，而传统核电站和火力发电站至少需要 100 千克铀或 1 万吨煤。制取 1 千克浓缩铀的费用是 1。2 万美元，而制取 1 千克氘的费用只有 300 美元。一座 100 万千瓦的核聚变电站，每年耗氘量只需 304 千克；而一座百万千瓦裂变式核电站，需要 30-40 吨核燃料。氘的发热量相当于同等煤的 2000 万倍，是海水中大量存在的元素。据测算，海水中大约每 600 个氢原子中就有一个氘原子，每 1 公升海水中含有 0。03 克的 氘，通过核聚变反应产生的能量，相当于燃烧 300 公升的汽油。就是说，“1 升海水约等于 300 升汽油“ 。地球上的海水总量约为 138 亿亿立方米，其

13、中氘的 储量约 40 万亿吨，足够人类使用百亿年。锂是核聚变实现纯氘反应的过渡性辅助“燃料“ ，地球上的锂储量有 2000 多亿吨，海水中的氘再加上锂至少够我们地 球用上千亿年。氚虽然在自然界比氘少得多，但可从核反应中制取，也可用于热核反应。科学家们正在以海水中的氘为主要原料，进行核聚变反应试验，以期建立可 以投入商业运营的热核聚变反应堆，彻底解决人类未来的能源问题。更为可贵的是核聚变反应是清洁能源，中几乎不存在放射性污染，核裂变的原料本身带有放射性，而核聚变反应过程中，在任何时刻都只有一丁点的氘在聚变， 无需担忧失控的危险，而且也不会产生放射性的物质。即使像切尔诺贝利核电站那样发生损坏，核聚

14、变反应堆也会自动立即中止反应，因此受控核聚变产生的能量名 符其实是一种无限、清洁、成本低廉和安全可靠的新能源。在这一系列的动力下，核聚变的研究已经持续了半个多世纪。帖子附图: 核聚变反应堆工作原理与其他能源相比，核聚变反应堆有几项显著的优点，因而一直备受媒体的关注。它们的燃料来源十分充足，辐射泄漏也处于正常范围之内，与目前的核裂变反应堆相比，其放射性废物更少。 然而迄今为止，还没有人将这一技术应用到实践中，但建造这种反应堆实际上已为期不远。目前，核聚变反应堆正处于试验阶段，世界各个国家及地区的多个实验室都开展了这项研究。 ITER 组织供图建立 ITER 核聚变反应堆工厂的建议地点法国卡达拉什

15、美国、俄罗斯、欧洲和日本经过协商，建议在法国卡达拉什建立一座名为国际热核试验堆（ITER）的核聚变反应堆，旨在研究通过持续核聚变反应来发电的可行性。在本文中，我们将介绍关于核聚变的知识，并了解 ITER 反应堆的工作方式。 同位素同位素是指质子数和电子数相同，但中子数不同的同一类元素的原子。下面是核聚变中一些常见的同位素： 氕是带一个质子而没有中子的氢同位素。它是氢的最常见的一种形式，也是宇宙中最普遍的元素。 氘是带一个质子和一个中子的氢同位素。它不具有放射性，可从海水中提取。 氚是带一个质子和两个中子的氢同位素。氚具有放射性，半衰期约为 10 年。氚不会自然形成，但用中子轰击锂可产生氚。 氦

16、 3 是带有两个质子和一个中子的氢同位素。 氦 4 是氦在自然界中最为普遍的一种形式，它带有两个质子和两个中子。目前的核反应堆利用核裂变来产生能量。在核裂变中，能量是通过一个原子*为两个原子来释放的。在传统的核反应堆中，铀的重原子在高能中子的轰击下发生裂变，这会生成巨大的能量，同时产生长期的辐射和放射性废物（详见核电站工作原理） 。 核聚变的能量是通过两个原子合并为一个原子而产生的。在核聚变反应堆中，氢原子发生聚变，进而形成氦原子、中子，并释放巨大的能量。氢弹和太阳的能量就是靠这种反应提供的。与核裂变相比，核聚变所产生的能量更加清洁、安全、高效，其能量来源也更为丰富。 核聚变反应分为多种类型。

17、其中大多数都涉及氢的同位素氘和氚： 质子质子链这一序列是太阳等恒星中最主要的核聚变反应模式。 两对中子形成两个氘原子。 每个氘原子与一个质子结合，生成一个氦 3 原子。 两个氦 3 原子结合，生成不稳定的铍 6。 铍 6 衰变为两个氦 4 原子。 这些反应会生成高能粒子（质子、电子、中子、正电子） ，并放出辐射（光线、伽马射线） 。 氘氘反应两个氘原子结合，生成一个氦 3 原子和一个中子。 氘氚反应一个氘原子和一个氚原子结合，生成一个氦 4 原子和一个中子。其中大部分能量以高能中子的形式释放。从概念上讲，利用反应堆中的核聚变十分容易。但为了让这一反应以可控、无害的方式进行，科学家们历经周折。为

18、了了解其中的缘由，我们需要先看一下发生核聚变的必要条件。当氢原子聚合时，它们的原子核必须结合在一起。然而，由于每个原子核中的质子都带有相同的电荷（正电） ，因而会互相排斥。如果您曾试着将两块磁铁放在一起并感到它们互相推开，则意味着您已亲身体验了这一原理。若要实现核聚变，需要创造一些特殊的条件来克服这种排斥力。下面是发生核聚变的一些必要条件：高温高温可为氢原子提供足够的能量，以克服质子之间的电荷排斥。核聚变需要的温度约为 1 亿开（约是太阳核心温度的六倍） 。在这样的高温下，氢的状态为等离子体，而不是气体。等离子体是物质的一种高能状态，其中所有电子都从原子中剥离出来，并可以自由移动。太阳的高温是

19、由重力压缩核心的巨大质量而产生的。我们要制造出这样的高温，就必须利用微波、激光和离子粒子的能量。高压压力可将氢原子挤在一起。氢原子之间的距离必须在 1x10-15 米以内，才能进行聚合。太阳利用其质量和重力将核心内的氢原子挤压在一起。我们要将氢原子挤压在一起，必须使用强大的磁场、激光或离子束。借助目前的技术，我们只能实现发生氘氚聚变所需的温度和压力。氘氘聚变需要的温度更高，这种温度有可能在将来实现。基本上，利用氘氘聚变会更加方便，因为从海水中提取氘比从锂中提取氚要更加容易。另外，氘不具有放射性，而且氘氘反应可释放更多的能量。有两种方法可实现发生氢聚变所需的温度和压力：磁约束使用磁场和电场来加热

20、并挤压氢等离子体。法国的 ITER 项目使用的就是这种方法。 回复 引用 TOP baby 发短消息 加为好友 baby 当前离线 UID7059 帖子 1952 精华 4 积分 11342 威望 5173 金钱 0 贡献 22 阅读权限 90 在线时间 36 小时 注册时间 2008-5-28 最后登录 2010-6-7 论坛元老3# 发表于 2009-1-18 05:03 | 只看该作者 惯性约束使用激光束或离子束来挤压并加热氢等离子体。在美国劳伦斯利弗莫尔实验室的国家点火设施中，科学家们正在对这种试验方法展开研究。 我们首先探讨磁约束。其工作原理如下： 加速器释放出微波、带电粒子束和中性

21、粒子束，用于加热氢气的气流。在高温下，氢气从气态变为等离子体。这种等离子体受到超导磁体的挤压，进而发生聚变。在用磁场约束等离子体时，最有效的磁体形状是面包圈形（即环形） 。 等离子体环形室采用这种形状的反应堆称为 Tokamak。ITERTokamak 是一个独立式反应堆，其部件都装在不同的盒子中。进行维护时，工作人员可以方便地插入和拔出这些盒子，而不必拆开整个反应堆。该 Tokamak 的等离子体环形室将采用 2 米的内半径和 6.2 米的外半径。 ITER Tokamak 反应堆的主要组件包括： ITER 供图ITER Tokamak真空室用于盛放等离子体，并将反应室置于真空中 中性束注入

22、器（离子回旋系统） 将加速器释放的粒子束注入等离子体中，以便将等离子体加热到临界温度 磁场线圈（极向环形）用磁场来约束、定型和抑制等离子体的超导磁体 变压器/中央螺线管 为磁场线圈供电 冷却设备（冷冻机、低温泵）用于冷却磁体 包层模块由锂制成，用于吸收核聚变反应中的热量和高能中子 收集器排出核聚变反应中的氦产品 下面是磁约束核聚变过程的作用机制： 回复 引用 TOP baby 发短消息 加为好友 baby 当前离线 UID7059 帖子 1952 精华 4 积分 11342 威望 5173 金钱 0 贡献 22 阅读权限 90 在线时间 36 小时 注册时间 2008-5-28 最后登录 20

23、10-6-7 论坛元老4# 发表于 2009-1-18 05:04 | 只看该作者 磁约束核聚变过程核聚变反应堆加热氘和氚燃料的气流，使之形成高温的等离子体。接下来，反应堆对等离子体施加压力，继而发生聚变。 启动核聚变反应所需的电能约为 70 兆瓦特，但该反应生成的电能约为 500 兆瓦特。 核聚变反应将持续 300 到 500 秒（最终将形成持续的核聚变反应） 。 等离子体反应室外部的锂包层将吸收核聚变反应中释放的高能中子，从而产生更多的氚燃料。在高能中子的作用下，这些包层也会被加热。 水冷回路将热量转移至热交换器，最终形成蒸气。 蒸气驱动电涡轮发电。 蒸气将被重新压缩成水，以便让热交换器吸

24、收反应堆中的更多热量。 起初，ITER Tokamak 将测试建造持续核聚变反应堆的可行性，其最终将变为一座测试核聚变发电厂。在美国劳伦斯利弗莫尔实验室的国家点火设施（NIF）中，科学家们正在试验用激光束来诱发聚变。在 NIF 设备中，192 条激光束将聚焦于一个直径为 10 米的靶室上的一点，这个靶室称为黑体辐射空腔。根据科学和工程百科全书，黑体辐射空腔是指“腔壁与腔内的辐射能量达到平衡的腔” 。 国家点火设施供图惯性约束核聚变过程在靶室内部的焦点上，将有一个豌豆大小的氘氚粒状物，其外侧包有一个小型塑料圆筒。激光的能量（180 万焦）将加热圆筒，并生成 X 射线。在高温和辐射的作用下，粒状物

25、将转化为等离子体，且压力不断升高，直至发生聚变。核聚变反应寿命很短，大约只有百万分之一秒，但它释放的能量是引发核聚变所需能量的 50 到 100 倍。在这种类型的反应堆中，需要相继点燃多个目标，才能产生持续的热量。据科学家估计，每个目标的成本可控制在 0.25 美元左右，从而大大降低了核电厂的成本。 劳伦斯利弗莫尔国家实验室供图核聚变点火过程与磁约束核聚变反应堆类似，惯性约束核聚变中的能量也将被转移至热交换器生成蒸气，进而通过蒸气来发电。 核聚变的主要应用是发电，它可为后代提供安全、清洁的能源，与目前的核裂变反应堆相比，它具有以下几个优点： 燃料供应充足氘可直接从海水中提取，大量的氚可从核反应

26、堆本身的锂中获得，而锂又广泛存在于地壳中。核裂变所需的铀非常稀少，必须经过开采和浓缩后才能用于反应堆。 安全与核裂变反应堆相比，核聚变所需的燃料较少。这样便避免了不可控的能量释放。与人类生存的自然界相比，大多数核聚变反应堆释放的辐射并不算多。 清洁核电厂（无论是裂变还是聚变）不靠燃烧发电，不会造成空气污染。 核废物更少核聚变反应堆不像核裂变反应堆那样会生成大量的核废物，因而处理起来会更加容易。另外，核裂变所产生的废物属于武器级的核材料，而核聚变的废物则没有这样的危险。目前，NASA 正在研制一种小型的核聚变反应堆，用于为深空火箭提供动力。核聚变推进器具有无限的燃料供应（氢） ，其效率更高，可令

27、火箭飞得更快。 冷核聚变 1989 年，美国和英国的研究人员宣称，他们在室温条件下建造了核聚变反应堆，而没有采用对高温等离子体进行约束的方法。他们将用钯制成的电极置于盛有重水（氧化氘）的保温瓶中，然后为重水通上电流。这些研究人员指出，钯可以催化聚变，它能将氘原子间的距离拉近到足以发生聚变的程度。但是，其他国家及地区的许多科学家并未能得到相同的结果。 2005 年 4 月，冷核聚变取得巨大进展。美国加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA)的科学家利用热电晶体引发了核聚变。他们将晶体放入盛有氢的小型容器中，并对晶体加热，进而形成一个电场。接下来，他们将一根金属线插入容器来吸收电荷。聚焦的电场对带正电荷

28、的氢原子核产生极强的排斥力，这使得原子核快速挣离金属线，并发生相互碰撞，其力度足以实现聚合。这一反应是在室温条件下进行的。有关更多信息，请参见冷温度的产物：真正的冷核聚变（） 。 什么是核聚变发帖人: 婕能公主 点击率: 88核聚变 nuclear fusion 在极高温度和压力下，将两个轻原子核（氘和氚）聚合成一个较重的原子核，从而释放出巨大的能量和放射线的过程。太阳上每时每刻都在发生聚变反应，氢弹爆炸就是利用聚变过程实现的，受控核聚变就是全世界在研究的重大技术，受控核聚变的成功和商业推广应用，将为人类找到一条保证长期稳定能源供应的有效途径。受控核聚变过程，必须用人为的办法使氘和氚的等离子体

29、达到足够高的温度和密度，通常要加热到上亿度温度，而且要对相互排斥的等离子体加以约束。磁约束和惯性约束是实现等离子体约束的两种办法。目前，正在研究的核聚变实验方法是磁约束聚变和激光聚变等办法。搜索更多相关主题的帖子: 核聚变 核聚变发帖人: 婕能公主 点击率: 75利用核能的最终目标是要实现受控核聚变。裂变时靠原子核分裂而释出能量。 利用核能的最终目标是要实现受控核聚变。裂变时靠原子核分裂而释出能量。聚变时则由较轻的原子核聚合成较重的较重的原子核而释出能量。最常见的是由氢的同位素氘（读“刀“，又叫重氢）和氚（读 “川“，又叫超重氢）聚合成较重的原子核如氦而释出能量。核聚变较之核裂变有两个重大优点

30、。 第一个优点是地球上蕴藏的核聚变能远比核裂变能丰富得多。据测算，每升海水中含有 0.03 克氘，所以地球上仅在海水中就有 45 万亿吨氘。1 升海水中所含的氘，经过核聚变可提供相当于 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蕴藏的可进行核裂变元素所能释出的全部核裂变能的 1000 万倍，可以说是取之不竭的能源。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。第二个优点是既干净又安全。因为它不会产生污染环境的放射性物质，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，所以是安全的。目前实现核聚变已有不少方法。最早的著名方法是“托卡马

31、克“ 型磁场约束法。它是利用通过强大电流所产生的强大磁场，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于成功，但要达到工业应用还差得远。按照目前技术水平，要建立托卡马克型核聚变装置，需要几千亿美元。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） ，就像喷气飞机气体往后喷而推动飞机前飞一样，小球内气体受挤压而压力升高，并伴随着温度的急剧升高。当温度达到所需要的点火

32、温度（大概需要几十亿度）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 万亿分之一） 。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，所释放出的能量就相当于百万千瓦级的发电站。原理上虽然就这么简单，但是现有的激光束或粒子束所能达到的功率，离需要的还差几十倍、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有漫长艰难的路程需要我们征服，但其美好前景的巨大诱惑力，正吸引着各国科学家在奋力攀登。搜索更多相关主题的帖子: 核聚变 托卡马克核聚变目录隐藏托卡马克核聚变-概念解读托卡马克核聚变-研发背景托卡

33、马克核聚变-基本原理托卡马克核聚变-实验装置托卡马克核聚变-重大突破托卡马克核聚变，也称超导托卡马克可控热核聚变（EAST） 、超导非圆截面核聚变实验，核物理学重要理论之 一，也是核聚变实现的重要途径之一。托卡马克核聚变是海水中富含的氘、氚在特定环境和超高温条件下使其实现核聚变反应，以释放巨大能量，世界各国科学家为已在 20 世纪中叶开始相关研发。在煤炭、石油一次性能源日渐枯竭且难以抑制环境污染的时候，清洁、安全而且原料取之不尽的可控热核聚变，成为本世纪中叶人类替代能源的希望所在。托卡马克核聚变研究涵盖基础科学、工程科学和信息科学等多个领域，吸引了全世界的关注。美国、欧洲、日本等发达国家均为此

34、投入巨额资金。编辑本段 托卡马克核聚变- 概念解读托卡马克(Tokamak) 核聚变是一种利用磁约束来实现受控的核聚变。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。 托卡马克核聚变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。 相比其他方式的受控核聚变，托卡马克拥有不少优势。1968 年 8 月在苏联新西伯利亚召开的第三届

35、等离子体物理和受控核聚变研究国际会议上，阿齐莫维齐宣布在苏联的 T-3 托卡马克上实现了电子温度 1keV，质子温度 0.5keV，n=10 的 18 次方 m-3.s，这是受控核聚变研究的重大突破，在国际上掀起了一股托卡马克核聚变的热潮，各国相继建造或改建了一批大型托卡马克装置。其中比较著名的有：美国普林斯顿大学由仿星器-C 改建成的STTokamak，美国橡树岭国家实验室的奥尔马克(Ormark)，法国冯克奈-奥- 罗兹研究所的TFRTokamak，英国卡拉姆实验室的克利奥(Cleo)，西德马克斯-普朗克研究所的PulsatorTokamak。 2006 年 9 月 28 日，中国耗时 8

36、 年、耗资 2 亿元人民币自主设计、自主建造而成的新一代热核聚变装置 EAST 首次成功完成放电实验，获得电流 200 千安、时间接近 3 秒的高温等离子体放电。EAST 成为世界上第一个建成 并真正运行的全超导非圆截面核聚变实验装置。核反应释放的能量相当于相同质量的物质释放的化学能的数十万倍至百万倍。核反应有核裂变、核聚变两种形式。一个重核在中子的轰击下分裂成高能碎片的反应叫做核裂变，主要反应物是稀少的放射性元素铀、钚等，如原子弹爆炸；两个轻核发生碰撞结合成重核的反应叫做核聚变，主要反应物为氢的同位素氘和氚，如氢弹爆炸、太阳发光发热等。 占发电量比重较大的核电站就是在控制之下的裂变能利用。托

37、卡马克核聚变，通过约束电磁波驱动，创造氘、氚实现聚变的环境和超高温，并实现人类对聚变反应的控制。受控热核聚变在常规托卡马克装置上已经实现。但常规托卡马克装置体积庞大、效率低，突破难度大。上世纪末，科学家们把新兴的超导技术用于托卡马克核聚变，使基础理论研究和系统运行参数得到很大提高。编辑本段 托卡马克核聚变- 研发背景能源是社会发展的基石。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飞速发展。然而这些宝贵的资源就这样被燃烧掉，同时造成了严重的污染。据估计，一百年后地球上的化石能源将会面临枯竭。面对着即将来临的能源危机，人类有了一个共同的梦想寻求一种无限而清洁的能源来实现

38、人类的持续发展。 托卡马克核聚变研究举步维艰，根本原因是轻元素原子核的聚合远比重元素原子核的分裂困难。原子核之间的吸引力是很大的，但原子核都带正电，又互相排斥，只有当两个原子核之间的距离非常接近，大约相距只有万亿分之三毫米时，它们的吸引力才大于静电斥力，两个原子核才可能聚合到一起同时放出巨大的能量。因此，首先必须使聚变物质处于等离子状态，让它们的原子核完全裸露出来。然而，两个带正电的原子核越互相接近，它们之间的静电斥力也越大。只有当带正电的原子核达到足够高的动能时，这需要几千万甚至几亿摄氏度的高温，它们的碰撞才有机会使它们非常接近，以致产生聚合。 1933 年，人们用加速器使原子核获得所需的动

39、能，在实验室实现了核聚变。可是从这样的核聚变中得到的能量比加速器消耗的能量要小得多，根本无法获得增益的能量。1952 年，美国用原子弹爆炸的方法产生高温，第一次实现了大量氘、氚材料的核聚变。但这种方法的效果是，在极短时间内使核聚变释放出巨大能量，产生强烈爆炸，即氢弹爆炸。人类要和平利用核聚变，必须是可以控制的聚变过程。核聚变反应比较切实可行的控制办法是，通过控制核聚变燃料的加入速度及每一次的加入量，使核聚变反应按一定的规模连续或有节奏地进行。因此，核聚变装置中的气体密度要很低，只能相当于常温常压下气体密度的几万分之一。另外，对能量的约束要有足够长的时间。 二战末期，前苏联和美、英各国曾出于军事

40、上的考虑，一直在互相保密的情况下开展对核聚变的研究。几千万、几亿摄氏度高温的聚变物质装在什么容器里一直是困扰人们的难题。 1954 年，第一个托卡马克装置在原苏联库尔恰托夫原子能研究所建成。当人们提出这种磁约束的概念后，磁约束核聚变研究在一些方面的进展顺利，氢弹又迅速试验成功，这曾使不少国家的核科学家一度对受控核聚变抱有过分乐观的态度。但人们很快发现，约束等离子体的磁场，虽然不怕高温，却很不稳定。另外，等离子体在加热过程中能量也不断损失。经过了二十多年的努力，远未达到当初的乐观期望，理论上估计的等离子体约束时间与实验结果相差甚远。人们开始认识到核聚变问题的复杂和研究的艰难。在这种情况下，苏、美

41、等国感到保密不利于研究的进展，只有开展国际学术交流，才能推进核聚变的深入研究。另外，磁约束核聚变与热 核武器在科学技术上没有重大的重叠，而且其商业应用的竞争为时尚早。于是，1958 年秋在日内瓦举行的第二届和平利用原子能国际会议上达成协议，各国互相公开研究计划，并在会上展示了各种核聚变实验装置。自这次会议后，研究重点转向高温等离子体的基础问题，从二十世纪六十年代中到七十年代，各国先后建成了很多实验装置，核聚变研究进入了一个新的高潮期，人们逐渐了解影响磁约束及造成能量损失的各种机理，摸索出克服这种不稳定性及能量损失的对策。随着核聚变研究的进展，人们对受控核聚变越来越有信心。 实现梦想需要科学。经

42、过多年大量科学实验证明在一种称为托卡马克核聚变能开发出无限而清洁的聚变能，它能帮助人类实现寻求能源的梦想。编辑本段 托卡马克核聚变- 基本原理核能是能源家族的新成员，包括裂变能和聚变能两种主要形式。裂变能 是重金属元素的核子通过裂变而释放的巨大能量。受控核裂变技术的发展已使裂变能的应用实现了商用化，如核(裂变)电站。裂变需要的铀等重金属元素在地球上含量稀少，而且常规裂变反应堆会产生放射性较强的核废料，这些因素限制了裂变能的发展。聚变能是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核并释放出的能量。目前开展的受控核聚变研究正是致力于实现聚变能的和平利用。其实，人类已经实现了氘氚核聚变-氢弹爆炸，但那是不

43、可控制的瞬间能量释放，人类更需要受控核聚变。维系聚变的燃料是氢的同位素氘和氚，氘在地球的海水中有极其丰富的蕴藏量。经测算，l 升海水所含氘产生的聚变能等同于 300 升汽油所释放的能量。海水中氘的储量可使人类使用几十亿年。特别的，聚变产生的废料为氦气，是清洁和安全的。因此，聚变能是一种无限的、清洁的、安全的新能源。这就是世界各国尤其是发达国家不遗余力竞相研究、开发聚变能的根本原因。 受控热核聚变能的研究主要有两种-惯性约束核聚变和磁约束核聚变。前者利用超高强度的激光在极短的时间内辐照氘氚靶来实现聚变，后者则利用强磁场可很好地约束带电粒子的特性，将氘氚气体约束在一个特殊的磁容器中并加热至数亿摄氏

44、度高温，实现聚变反应。 托卡马克(Tokamak)是前苏联科学家于 20 世纪 50 年代发明的环形磁约束受控核聚变实验装置。经过近半个世纪的努力，在托卡马克上产生聚变能的科学可行性已被证实，但相关结果都是以短脉冲形式产生的，与实际反应堆的连续运行有较大距离。超导技术成功地应用于产生托卡马克强磁场的线圈上，是受控热核聚变能研究的一个重大突破。编辑本段 托卡马克核聚变- 实验装置“超导托卡马克核聚变”实验包括一个具有非圆小截面的大型超导托卡马克实验装置和低温、真空、水冷、电源及控制、数据采集和处理、波加热、波驱动电流、诊断等子系统。其中超导托卡马克装置是本项目的核心。而超导托卡马克装置又包括超导

45、纵场与极向场磁体系统、真空室、冷屏、外真空杜瓦及面对等离子体部件等部件。承担各部件设计的工程技术人员，在充分集思广益、充分发挥创新能力的基础上,借鉴国际上同类装置的经验,通过一丝不苟的努力工作，目前各项工作的进展呈良性循环-设计推动了预研工作的进行，预研工作的结果又使设计得到进一步优化。 1、超导磁系统。 超导纵场与极向场磁系统是 HT-7U 超导托卡马克的关键部件，结构复杂、技术难点多、难度大、涉及的不确定因素多。科研人员经过一轮又一轮的设计、计算和分析，对多种方案进行比较、优化，目前超导导体的设计已进入最后的实验选型阶段；线圈的设计已完成试验线圈的设计与绕制及原型线圈的设计；低温下高强度线

46、圈盒的设计已完成各种可能工况下的力学分析与计算、传热分析与计算、电磁分析计算以及线圈盒焊接时的温升对超导线圈性能影响的试验等工作；低温冷却回路的设计已完成热的分析与计算及冷却参数的优化；超导导体接头已完成多种方案的设计、研制与试验，并确定了最终的结构形式；超低温绝缘子的研究已完成最终的设计与试制，进入批量制造阶段；超导线圈的真空压力浸渍的工艺研究在国内电绝缘的归口单位-桂林电科所及中科院北京低温中心的密切配合下已完成超低温绝缘胶的配方的研究，正在完成超低温绝缘胶真空压力浸渍的最终工艺试验。超导极向场的线圈位置优化和电流波形优化，使之既能满足双零和单零的偏滤器位形的要求，又能满足限制器位形的要求

47、，这项工作经过反复的平衡计算与调试、比较，已经满足物理的要求，工程上线圈在装置上的位置以及线圈的截面形状均已确定。 2、真空室。 真空室是直接盛装等离子体的容器，除了要为等离子体提供一个超高真空环境，要满足装置稳定运行时等离子体对电磁的要求以及为诊断等离子体的特性、等离子体加热、真空抽气、水冷及加料对窗口的要求、中子屏蔽的要求、还要满足面对等离子体部件定位和准直的要求。HT-7U 真空室是双层全焊接结构，由于真空室离等离子体近，等离子体与真空室之间的电磁作用最直接，真空室上所受的电磁力最大，同时真空室要烘烤到 250C，因温度变化所产生的热变形大。设计人员考虑到以上这些因素，对真空室进行了所有

48、可能工况下的多轮受力分析、电磁分析和传热计算，针对每一轮的计算结果对结构设计进行优化。目前已完成最新一轮满足各项要求的结构在各种工况下的静应力分析、模态分析、频率响应分析和地震响应分析，为设计的可靠性提供了充分的依据。真空室试验原型段的施工设计正在进行之中，真空室满足热胀冷缩要求的特殊支撑结构的试验平台正在制造过程中，真空室窗口所使用的各种异型波纹管的研制也在紧张的进行。 3、 冷屏与外真空杜瓦。 HT-7U 的内外冷屏是超导磁体的热屏障，对维持超导磁体的正常运行发挥作重要作用。该部件的电磁分析、受力分析和传热分析的工作都已完成，对传热计算产生重要影响的表面辐射系数的测量已完成，目前该部件已进

49、入工程设计的最后阶段，即将转入施工设计。外真空杜瓦是维持其内部的所有部件都处在基本无对流传热的真空环境中，因而是超导磁体与冷屏维持超低温的保证，同时也是其内部所有部件支撑的基础。该部件的力学分析和电磁分析已结束，施工设计已正式展开。 4、面对等离子体部件 。 面对等离子体部件直接朝向等离子体，其表面性质直接影响等离子体杂质的返流和气体再循环，等离子体的能量依靠面对等离子体部件的冷却系统输运到托卡马克外。面对等离子体部件相对等离子体的位置的优化正与德国马普等离子体所合作，利用他们的程序进行计算，已得出初步结果；直接面对等离子体的石墨材料正与山西煤化所合作研究，开发参杂石墨与石墨表面的低溅射涂层，用于石墨材料各项性能试验的大功率电子枪和实验系统正在装修一新的实验室中调试；用于试验水冷结构和石墨性能的面对等离子体部件的试验件已组装到 HT-7 超导托卡马克的真空室中，在即将进行的一轮试验中进行各项指标的测试。 5、装置技术诊断系统。 装置技术诊断包括温度测量、应力应变测量、失超保护和短路检测等部分。温度测量从 4.5k 的液氦温度到 350C 面对等离子体部件的烘烤温度，要测