核聚變和iter介紹

1、核聚變和ITER介紹,Department of PhysicsBeijing University of Aeronautics and Astronautics,1，什么是核聚變2，核聚變用作能源的兩個(gè)重大優(yōu)點(diǎn)3，核聚變發(fā)生的條件4，受控核聚變的原理5，受控核聚變的方式6，TOKAMAK受控核聚變的發(fā)展7，什么是“超導(dǎo)托卡馬克裝置”8，中國(guó)在受控核聚變領(lǐng)域的發(fā)展9，國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）組織10，金屬的輻

2、照損傷和輻照效應(yīng),大綱,什么是核聚變核聚變是兩個(gè)較輕的原子核聚合為一個(gè)較重的原子核，并釋放出能量的過程。典型的聚變反應(yīng)是,太陽的能量來自它中心的熱核聚變,人類非常羨慕這種能源，但是目前只學(xué)會(huì)了破壞性地使用，這就是氫彈，一朵核聚變蘑菇云能輕易地抹平一座幾百萬人的城市。,在太陽過去的46億年中，僅消耗了0.03%的質(zhì)量。是什么東西這么耐燒呢？那就是核聚變。,核聚變用作能源的兩個(gè)重大優(yōu)點(diǎn)一，地球上蘊(yùn)藏的核聚變能遠(yuǎn)比核裂變能豐富得多

3、。據(jù)測(cè)算，每升海水中含有0.03克氘，所以地球上僅在海水中就有45萬億噸氘。1升海水中所含的氘，經(jīng)過核聚變可提供相當(dāng)于300升汽油燃燒后釋放出的能量。至于氚，雖然自然界中不存在，但靠中子同鋰作用可以產(chǎn)生，而海水中也含有大量鋰。這就意味著，單靠海水，就能滿足人類100億年的能源需求。第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是既干凈又安全。因?yàn)樗粫?huì)產(chǎn)生污染環(huán)境的放射性物質(zhì)，所以是干凈的。同時(shí)受控核聚變反應(yīng)可在稀薄的氣體中持續(xù)地穩(wěn)定進(jìn)行，所以是安全的。,核聚變發(fā)

4、生的條件太陽的中心溫度高達(dá)1500萬℃～2000萬℃，中心壓力達(dá)3.4多億億帕，太陽內(nèi)的物質(zhì)在這樣高的溫度和壓力下，發(fā)生著劇烈的核聚變反應(yīng)。地球上沒辦法獲得巨大的壓力，只能通過提高溫度來彌補(bǔ)，不過這樣一來溫度要到上億度才可以發(fā)生熱核反應(yīng)。,受控核聚變的原理第一步，作為反應(yīng)體的混合氣必須被加熱到等離子態(tài)——也就是溫度足夠高到使得電子能脫離原子核的束縛，原子核能自由運(yùn)動(dòng)，這時(shí)才可能使得原子核發(fā)生直接接觸，這個(gè)時(shí)候，需要大約10萬

5、攝氏度的溫度。第二步，為了克服庫倫力，也就是同樣帶正電子的原子核之間的斥力，原子核需要以極快的速度運(yùn)行，繼續(xù)加溫到上億攝氏度，使原子核的布朗運(yùn)動(dòng)達(dá)到一個(gè)瘋狂的水平。氚和氘的原子核以極大的速度發(fā)生碰撞，產(chǎn)生了新的氦核和新的中子，釋放出量。第三步，經(jīng)過一段時(shí)間，反應(yīng)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。只要將氦原子核和中子及時(shí)排除，新的氚和氘的混合氣被輸入到反應(yīng)體，核聚變就能持續(xù)下去，產(chǎn)生的能量一小部分

6、留在反應(yīng)體內(nèi)，維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，大部分可以輸出，作為能源來使用。,迄今為止，人類還沒有造出任何能經(jīng)受1萬攝氏度的化學(xué)結(jié)構(gòu)。核聚變?nèi)绱烁叩臏囟葲]有任何一種固體物質(zhì)能夠承受如此高溫的反應(yīng)體。早在50年前，兩種約束高溫反應(yīng)體的理論就產(chǎn)生了。1，慣性約束核聚變2，磁力約束核聚變（托卡馬克）,可控核聚變方式,1，慣性約束：這一方法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(nèi)。從外面均勻射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外

7、蒸發(fā)，受它的反作用，球面內(nèi)層向內(nèi)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(jī)氣體往后噴而推動(dòng)飛機(jī)前飛一樣，小球內(nèi)氣體受擠壓而壓力升高，并伴隨著溫度的急劇升高。當(dāng)溫度達(dá)到所需要的點(diǎn)火溫度（大概需要幾十億度）時(shí)，小球內(nèi)氣體便發(fā)生爆炸，并產(chǎn)生大量熱能。這種爆炸過程時(shí)間很短，只有幾個(gè)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(jìn)行下去，所釋放出的能量就相當(dāng)于百萬千瓦級(jí)的發(fā)電站。,磁力約

8、束（托卡馬克）：托卡馬克(Tokamak)核聚變是一種利用磁約束來實(shí)現(xiàn)受控的核聚變。根據(jù)帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)可知，帶電粒子在垂直于磁場(chǎng)的方向受到洛倫茲力。只要磁場(chǎng)只要足夠大，帶正電的原子核就跑不出磁場(chǎng)。建立一個(gè)環(huán)形的磁場(chǎng)，原子核就只能沿著磁力線的方向，沿著螺旋形運(yùn)動(dòng)，跑不出磁場(chǎng)的范圍。在環(huán)形磁場(chǎng)之外建一個(gè)換熱裝置（此時(shí)反應(yīng)體的能量只能以熱輻射的方式傳到換熱體），然后再使用人類已經(jīng)很熟悉的方法，把熱能轉(zhuǎn)換成電能就是了。,早在195

9、4年，在原蘇聯(lián)庫爾恰托夫原子能研究所就建成了世界上第一個(gè)托卡馬克裝置。貌似很順利吧？其實(shí)不然，要想能夠投入實(shí)際使用，必須使得輸入裝置的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輸出的能量才行，我們稱作能量增益因子——Q值。當(dāng)時(shí)的托卡馬克裝置是個(gè)很不穩(wěn)定的東西，搞了十幾年，也沒有得到能量輸出，直到1970年，前蘇聯(lián)才在改進(jìn)了很多次的托卡馬克裝置上第一次獲得了實(shí)際的能量輸出，不過Q值只有10億分之一。別小看這個(gè)十億分之一，這使得全世界看到了希望，于是全世界都在這種激勵(lì)

10、下大干快上，紛紛建設(shè)起自己的大型托卡馬克裝置：歐洲建設(shè)了聯(lián)合環(huán)-JET，蘇聯(lián)建設(shè)了T15，日本的JT-60和美國(guó)的TFTR。這些托卡馬克裝置一次次把能量增益因子（Q）值的紀(jì)錄刷新。1991年歐洲Q值達(dá)0.12。1993年，美國(guó)Q值達(dá)到了0.28。1997年9月，歐洲Q值達(dá)0.60。三個(gè)月以后，日本Q值可以達(dá)到1。后來，Q值又超過了1.25。這是第一次Q值大于1。中國(guó)在70年代就建設(shè)了數(shù)個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)托卡馬克裝置——環(huán)流一號(hào)（HL-

11、1）和CT-6，后來又建設(shè)了HT-6,HT-6B，以及改建了HL1M，新建了流2號(hào)。,TOKAMAK受控核聚變的發(fā)展,什么是“超導(dǎo)托卡馬克裝置”,托卡馬克裝置的核心就是磁場(chǎng)，托卡馬克裝置越接近實(shí)用就要產(chǎn)生越強(qiáng)的磁場(chǎng)。用于產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈，由于有電阻而使得線圈的效率降低，同時(shí)限制通過大的電流，不能產(chǎn)生足夠的磁場(chǎng)。如果把線圈材料做成超導(dǎo)體，這就是超脫卡馬克。目前為止，世界上有4個(gè)國(guó)家有各自的大型超脫卡馬克裝置法國(guó)的Tore－Supra，

12、俄羅斯的T-15，日本的JT-60U，中國(guó)的EAST。,合肥EAST全超導(dǎo)非圓截面核聚變實(shí)驗(yàn)裝置,除了EAST以外，其他四個(gè)大概都只能叫“準(zhǔn)超托卡馬克”，它們的水平線圈是超導(dǎo)的，垂直線圈則是常規(guī)的，因此還是會(huì)受到電阻的困擾。此外他們?nèi)齻€(gè)的線圈截面都是圓形的，而為了增加反應(yīng)體的容積，EAST則第一次嘗試做成了非圓形截面。,中國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域有先天的優(yōu)勢(shì)，加上機(jī)遇很好，走到世界第一集團(tuán)。先天優(yōu)勢(shì)：我們有王淦昌先生這樣一批理論上的大師，使得我們

13、的基礎(chǔ)并不落后。國(guó)家對(duì)于能源的重視不是一天兩天了，自1956年的12年科學(xué)規(guī)劃以來，核聚變的研究已經(jīng)進(jìn)行了半個(gè)世紀(jì)，積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。還有一個(gè)上帝送給我們的好禮物：內(nèi)蒙古白云鄂博的稀土資源。它使得我們的超導(dǎo)工藝和激光技術(shù)并不落后——這可是受控核聚變的重要組成部分。機(jī)遇好：一方面是當(dāng)年蘇聯(lián)解體，俄羅斯賤賣家底，我們得到了俄國(guó)的HT-7超脫卡馬克，使我們跨越性的認(rèn)識(shí)了這一系統(tǒng)。另一方面，國(guó)際扯皮使得ITER拖了近20年，我們贏得了追上去的

14、機(jī)會(huì)。中國(guó)人在這個(gè)關(guān)乎人類生存的領(lǐng)域，總算占有了一席之地。,中國(guó)在受控核聚變領(lǐng)域的發(fā)展,國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）組織,2006年11月21日，我國(guó)與歐盟、印度、日本、韓國(guó)、俄羅斯和美國(guó)共同簽署了《聯(lián)合實(shí)施國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃建立國(guó)際聚變能組織的協(xié)定》和《聯(lián)合實(shí)施國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃國(guó)際聚變能組織特權(quán)和豁免協(xié)定》?！　TER計(jì)劃是目前全球規(guī)模最大、經(jīng)費(fèi)投入最多、影響最深遠(yuǎn)的重大國(guó)際科學(xué)工程之一，它吸引了世界主要國(guó)家的頂尖科

15、學(xué)家。ITER計(jì)劃的實(shí)施結(jié)果將影響人類能否大規(guī)模地使用聚變能，從而從根本上解決能源問題的進(jìn)程。,國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆建在法國(guó),金屬的輻照損傷和輻照效應(yīng),金屬受到高能粒子輻照后可以產(chǎn)生種種宏觀性質(zhì)的變化,這一現(xiàn)象叫作“輻照效應(yīng)”。由于高能粒子和金屬的點(diǎn)陣原子實(shí)發(fā)生一系列碰撞，從而在金屬內(nèi)部產(chǎn)生大量的點(diǎn)缺陷。而這種碰撞的原始微觀過程叫作“輻照損傷”。 輻照損傷和輻照效應(yīng)各有不同的含義。輻照損傷著重討論輻照粒子所造成的點(diǎn)缺陷的數(shù)目和組態(tài)

16、，而輻照效應(yīng)則是研究這些點(diǎn)缺陷進(jìn)一步的行為和后果。從過程所發(fā)生的時(shí)間來看，輻照損傷所涉及的原始微觀過程只發(fā)生在10-11秒之內(nèi)，而輻照效應(yīng)所討論的缺陷遷移過程則需要若干毫秒甚至幾個(gè)月。,輻照損傷  輻照時(shí)的入射粒子可以是中子，也可以是帶電粒子,如質(zhì)子,α(氦核He2 ),或碳、鎳之類的重離子等。下面以中子為例說明輻照損傷的各種過程：　1，產(chǎn)生空位缺陷。當(dāng)中子和金屬點(diǎn)陣內(nèi)的某一靶原子的核(靶核)相碰撞，中子就將其能

17、量的一部分傳遞給靶原子。如果所傳遞的能量大于某一個(gè)稱作離位閾能(Ed)的閾值（一般約為25eV），被擊原子就脫離它的平衡位置，成為一個(gè)初級(jí)擊出原子，并在原地留下一個(gè)空位。2，使金屬內(nèi)部的一個(gè)微觀區(qū)域被迅速加熱到幾千度的溫度。入射粒子或擊出原子與點(diǎn)陣原子相作用時(shí)也可以是掠射性（小角度）的低能傳遞。這時(shí)靶原子并不離位而是在其平衡位置附近被迫振動(dòng)，并將這一振動(dòng)能迅速傳遞到周圍去。其效果有如金屬內(nèi)部的一個(gè)微觀區(qū)域被迅速加熱和冷卻。這個(gè)瞬時(shí)

18、過程稱作熱峰。熱峰可能在10-11秒的時(shí)間內(nèi)達(dá)到幾千度的溫度。,3，產(chǎn)生雜質(zhì)原子；入射粒子最后停留下來，或與靶原子核發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生新的元素（嬗變作用），成為雜質(zhì)原子。例如，不銹鋼中的鎳可以通過59Ni(n,α)56Fe反應(yīng)轉(zhuǎn)化成鐵和氦。 4，產(chǎn)生填隙等缺陷；考慮到金屬內(nèi)的原子呈有序排列，因而沿某一晶向的一列原子可能發(fā)生一連串連續(xù)對(duì)撞，從而有換位碰撞，聚焦碰撞，或動(dòng)力擠子。上述中子輻照損傷過程也適用于帶電粒子，所不同的是帶電粒

19、子和靶原子碰撞的幾率比中子大，射程也較短，因而損傷區(qū)集中而且損傷率要比中子大。反之，由于中子不帶電荷，不發(fā)生庫侖碰撞，所以它可以有很大的平均自由程和射程，足以造成分布整個(gè)金屬中的損傷。,金屬表面形成的錐形突起,金屬表面的層離,另外，帶電粒子可以造成金屬表面的濺射，使金屬表面形成錐形突起（如圖）;氣體帶電粒子還可以使金屬表面起泡和層離（如圖）。這些都是聚變堆第一壁，即聚變堆最靠里面的第一個(gè)和等離子體區(qū)相接觸的容器壁（英文稱first

20、wall）材料的重要輻照問題。,輻照效應(yīng)  輻照損傷產(chǎn)生多種形式的晶體點(diǎn)缺陷和點(diǎn)陣擾動(dòng)在一定條件下擴(kuò)散、聚集，或者轉(zhuǎn)化成其他形式的缺陷，結(jié)果使金屬的性質(zhì)發(fā)生變化，這就構(gòu)成了輻照效應(yīng)。上述起泡和層離就是輻照效應(yīng)的一種現(xiàn)象。 輻照后種種缺陷的形成必然會(huì)使金屬的性質(zhì)和行為發(fā)生變化：1，輻照腫脹  空位和惰性氣體原子的聚集可以造成輻照腫脹。它表現(xiàn)為材料的體積和密度隨輻照發(fā)生變化。2，輻照硬化和輻照脆化