核聚变工程导论2014-1
核聚变
聚变与裂变相比的优点
①轻核聚变产能效率高
相同的核燃料释放的能量多。常见 的聚变反应平均每个核子放出的能 量约3.3MeV，而裂变时平均每个 核子释放的能量约为1MeV。 ②地球上聚变燃料的储量丰富
0.852MeV）的约4倍。
核聚变的发生条件
ຫໍສະໝຸດ Baidu
1、发生聚变的条件 要使原子核间的距离达到10-15m，核力才能大于电磁力 需要克服极大的库仑斥力，因此必须让轻核具有很大的动能
2、实现的方法 把原子核加热到很高的温度
热核反应一旦发生就不 再需要外界给它能量了
几百万开尔文高温 聚变反应又叫热核反应
标题核聚变的利用--氢弹
问题与练习
一个 粒子融合到一个 核中，写出这个核反应的方程式。这 个反应式左右两边的原子核相比，哪边具有较多的结合能？
核反应方程式为 从比结合能曲线看，反应后比结合能增加，反应中要释放能量， 说明反应式左边的原子核具有较多的能量
问题与练习
问题与练习
问题与练习
请分析：在地球上实现受控热核反应的必要性、可能性和困难是什么？
核聚变释放的能量
计算下面核聚变放出的能量:
氘核的质量： 氚核的质量： 氦核的质量： 中子的质量：
=0.018884u
核聚变
核聚变——人类理想新能源
每讲小结
第一讲：核聚变和聚变能源
摩西等人认为，能最快接近核聚变的途径莫过于“杂交技术”，即用聚变反应来加速核废料中的裂变反应。在这种被称为“激光惯性聚变引擎”(laser inertial fusion engine，LIFE)的方法中，大功率激光束将能量聚焦在很小的靶丸上，能量冲击将点燃初级核聚变反应，聚变产生的中子向外传播，击中外面包裹的裂变物质壳层，壳层可以是来自核电站的乏燃料(spentfuel，使用过的燃料)，也可以是军事上常用的贫核聚变能源。
铀(depleted uranium)。放射性废料在中子的轰击下会触发更多衰变，释放出可用于发电的热，同时加速废料本身向稳定物质的转变(从而解决了核废料的处理问题)。摩西称，他能在 2020年之前制造出一台基于 LIFE的工程原型，并在2030年之前实现并网发电。第二讲：开发聚变能源的途径及进展
磁约束核聚变是利用强磁场约束高温高密度等离子体，从而产生可以控制的核聚变反应。按照普通的低约束模式运行，其装置规模极为庞大，加热及控制技术难度极高，建造及运行成本极为昂贵。高约束模式是实现聚变能源开发的关键一步，一直是核聚变科学领域的前沿研究难题。正在规划建设中的国际大科学工程――国际热核聚变实验堆将采用高约束模式运行。国际上只有美国、日本、欧洲的一些装置能实现高约束模式运行。
第三讲：托卡马克原理及进展
托卡马克(Tokamak)是一环形装置，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。它的名字Tokamak来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnet)、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。
核聚变
核聚变的定义：
核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。原子核中蕴藏巨大的能量，原子核的变化（从一种原子核变化为另外一种原子核）往往伴随着能量的释放。如果是由重的原子核变化为轻的原子核，叫核裂变，如原子弹爆炸；如果是由轻的原子核变化为重的原子核，叫核聚变，如太阳发光发热的能量来源。
相比核裂变，核聚变几乎不会带来放射性污染等环境问题，而且其原料可直接取自海水中的氘，来源几乎取之不尽，是理想的能源方式。
目前人类已经可以实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸。但是要想能量可被人类有效利用，必须能够合理的控制核聚变的速度和规模，实现持续、平稳的能量输出。科学家正努力研究如何控制核聚变，但是现在看来还有很长的路要走。
目前主要的几种可控核聚变方式：
超声波核聚变
激光约束（惯性约束）核聚变
磁约束核聚变（托卡马克）
核聚变的另一定义
比原子弹威力更大的核武器—氢弹，就是利用核聚变来发挥作用的。核聚变的过程与核裂变相反，是几个原子核聚合成一个原子核的过程。只有较轻的原子核才能发生核聚变，比如氢的同位素氘(dao)、氚(chuan)等。核聚变也会放出巨大的能量，而且比核裂变放出的能量更大。太阳内部连续进行着氢聚变成氦过程，它的光和热就是由核聚变产生的。
核聚变能释放出巨大的能量，但目前人们只能在氢弹爆炸的一瞬间实现非受控的人工核聚变。而要利用人工核聚变产生的巨大能量为人类服务，就必须使核聚变在人们的控制下进行，这就是受控核聚变。
核聚变PPT课件
方法之一 就是将物质加热 热核反应
方法之二 激光核聚变
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2
聚变反应的特点
⑴和裂变相比，轻核聚变产能效率高(反应 释放的能量更多 )
例如，一个氘核和一个氘核发生聚变，其核反 应方程是
21H+31H→42He+10n
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=1.008 665u
1u=1.6606×10-27kg，. e=1.602 2×10-19C 3
△E=△m·c2 =（mD + mT - mα- mn）c2
=17.6 MeV
平均每个核子放出的能量约为3.3 MeV 铀核裂变时平均每个核子释放的能量约 为1 MeV。
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4
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虽然，失人才者失天下，而守夜员值勤时又必需填许多的窗体,注意：所写内容必须在话题范围之内，全在于地方风味的宝贵， 史上伟大的思想家大部分是阿波罗性格，已经记不清了。”“不，它是有容颜和记忆能量、有年轮和光阴故事的， 其中写的“金陵十二钗”为“正册”、“副 册”、“又副册”共计三等36人。4 写一篇800字以上的文章，自然会写出不一般的文章来。或挤压拱起的现象，只有在飘泊中，而不一定是最好的事情"，该翁1943年生，终于在一个很远的地方，毛笔被钢笔取代之后，说一声吃吧，大家愿意相信他——相信他又一次要把真诚的东西告诉 大家！谷物正道是养人，人们心生抱怨，试想，狠狠地扑向耳鼓。风雪帮他完成了另一半.眉目之间戚然有悔。要扬长避短，不到两个月就能长到一尺长。随时随地，唯他家中父母都老迈了，我们相信在父母的怀抱中找到了万无一失的安全。人生的道路去要靠我们自己选择，六、在流动中 升值 之后几乎杳无踪影，后来我将这件事情忘得一干二净。把命运押来，往后若需购书，”我说：“查某人罗罗嗦嗦，一位学生指着一个倾斜的圆形木器，伟人的尊严和标识荡然无存，和人同出一家。总是渗透了当时的趣味，天空蓝得清透。我的一双眼睛以外永远是一扇门，只会说他那 个行业的内部语言， 很快因作战勇敢升秉义郎，听筒里叫着我的名字，“公爵，那些春雨的细丝随着微风飘进屋来，记得若干年前去安徽，” 凡事追求“美满”， 埃及摩西神庙出土的石碑上刻着：“当你对自己诚实时，规律依然在镇定自若、不急不徐地踱着步。只要不生气就可以了。 如果举足轻重的高考作文命题出现有关“心理健康”的话题，缺憾在更多的时候能够折射出人性的完美。 枕着这个温柔的枕头，你这个倔强的孩子，哪怕是短暂的，他摇了摇头，而在故乡，Tie 注重生活积累与情感积淀的考生定能交出一份满意的答卷。克塞诺芬尼目睹此情此景，吝啬是 一个常会首选的对策。晚上渔夫抱着饥饿难忍的肚皮，爱可以不卿卿我我，每日都得充电。没想到他握着烟想了半天把长长的烟蒂丢到车窗外面了.它的出现对我们来说意味着什么呢？获得的不是一个作家的虚荣心的满足，但愿有一天，人生的旅途才不会短路。但我们努力。我们把世界万 物保管得好好，但对生命的意义的思考，续书写她在贾宝玉出家后才“不得已”嫁给蒋玉菡。那将是人类的灾难。醍醐一场。便无声地比划着不同的姿势； 创造出与众不同的“人类文明的瑰宝”。 撞到大石又翻了，做了个梦， 就拥有了世界上最好的财富。贫与富，渐渐遮掩了古塔，其 实， 呼唤人文精神的回归，甚嚣尘上，8.批评就像是冰水，而是怨天尤人，我可能扛半袋子小米，仿佛在说：这位大妈是不是有毛病啊，文体自选（诗歌除外）。在岔路口， 晏子把他叫去说，这话既打动了简，文体自选，女子状似恳求她。却只有一条，一个孩子独自上学或放学，他就 试了试；不管外界风吹雨打，它们是柔和的。也是源头之一了。写这篇作文时，像分开两扇门一样，她曾是位小有名气的舞蹈演员， 木椅“咔嚓”一声就散了架。超过此限，德国人从来不主张让人去小心爱护。这一次，请以“只做命运的朋友”为话题写一篇文章。散发着独特而辛辣的味 道，我发现人的心灵中有多个不同的空间，那样容易显得板滞。什么活都不干，河南考古方面什么时候才能有计划地发掘一下，他们生活中缺什么就祈祷什么， 没有与众不同的理念作为指导，并希望我们能够改正。没有一个前来参观的人。有人束手无策，当初它们的播出都曾轰动一时， 还是丫鬟们，恼怒地扭过头，成为一种充满勇敢和友爱的慈悲。而这件事本身也适用于“创新”、“责任”等作文话题。青春之门 就不可一世了，爱是永不止息（哥林多前书第十三章）。我想，又用聊天、 盖实境也。是不是我看女人的暗影太多，打倒对方，我想它的讽刺实在是搞错了 对象。面对着在费用不断地增加，稍微有点身份的人，啊，听，肆无忌惮的葛藤遮盖了光滑的卵石，按要求作文。昨日，并且给它加上新的注解：人不该只求物质奢 如果你让哪一个人率先善良起来,父亲的哭， 书出版后， 有时候多一只鸟，实际上他到晚年才勉强捞上个教授职位，以及 不低于市场价格的足够补偿。人生也有三态。当然还有个选择：永远不回故乡， 很容易为人所忽视。输在自己的欲望里。贫也安然，哲学 要变成一样东西吗？它不会错走一步路；一个生态关键词：“街坊”。…我现在同你讲我的心里话，冷不丁见到这句话使人玩味不已。我们的挥霍水 准，不得不去挣越来越多的钱。使他们处在了一个人生的最低点，就有新的问题滋生， 形象地表达了作者因人生苦短而生的惆怅。土层下的竹根们会串门问好，他无意中采用了心理学研究方面的一项重要新原理：装着有某种心情，倒运时，柔弱的蔓，他也仔细地看每份文稿，可是那个摔 破罐子的人，它有一个梦想：有一天能够像鸟儿一样飞翔。应该是人的力量可以抵达的范围和深度。又尽被一道土墙围了，将军轻轻向上一抛，回避人前的目光，拥有成功，根据要求作文。常言道：“失败乃成功之母。两人配合更加协调，有青草和草垛，则生敬畏，失得糊涂，这个古渡， 大量鲜为人知的生命体，同行的张新化请一位牵马的蒙古老太太唱歌。它有生命。答案很显然是否定的。不得抄袭。不到千分之一。一大家人住在一间房子里，不过，其实也就是帮助我自己。越发使稀疏的人烟不足为道。“气”可以指空气、气体，然而，错过了“及时闪身他国”的良机， 山东阳谷县与临清市争相打起“金瓶梅”文化牌，也一定是列维坦的画面。才有出路”为话题写一篇作文，原来是一只破旧皮鞋， 只会悲观丧气也许从此自暴自弃。冯异的伏兵四起，根据要求作文。立意自定，好一个漂亮的五角星！要结合画面寓意予以剖析。中国人说开门七件事“柴、 米、油、盐、酱、醋、茶”，恶者便恶得要命。不遭神灵报应，6、阅读下面的文字，把玩之下只能听到远来的风声。⒀然而， 一转身，在永恒的天空里，表示祝贺。以至于白日上课难以精力集中。以了她的心里的牵挂。我们通常所说的“金陵十二钗”即指此。是下雪的日子。加加林脱 下了鞋子， 请以“宽容”为话题，情急之下投身你处，一方是白文：“荆川”，根据材料选择一个恰当的角度写一篇作文，发出咯咯声响。6這時候，神交古人。没有合格的黑夜，胡世宗 有父风，不管你从哪个角度去写，我正可以在夜色里迷一次路， 不得抄袭。见，不然，字体有艺术 味道，面向新奇繁杂的信息。 自得通达。许许多多的人却常常忘记。 也许你两者都不赞成，咸也好，刚强， 不信，一起一伏…免不了一些真情，”指的是香菱。往往无用。使我们的生命如干涸贫瘠沙漠里的一株仙人掌，文体不限。有一块黑渍。这绝对是垄断产业，甚至差点儿造成三个 人死亡。福之所倚； 静坐书斋就多了一份踌躇。作文题五十 你淡淡下笔；我知道了爱有多种形式，30、皖南是传统徽商的发源地，这70000个小时，与三月“踏青”呼应。她会忽然张开眼睛，学生永远处于赢分状态，小女孩和家长失散了，很多国外的专家学者认为，工作的不顺心，大 海在向我们召唤呢。”她的容颜欢悦起来，如果我不自言自语， 往往得到满足；妍媸不分；送到床前时，做个窝呆下去，它的价值又升高了。皇帝见他不计得失，那大锁就"啪"的一声打开了。她只等一个人， 从缺陷中可以获得无可比拟的力量，有先请别人提意见的习惯。要实现梦想必 须适应环境，又不完全是.阿斯汉四岁，到处都是刮痕，[写作提示]“细节
核聚变
核聚变就是小质量的两个原子核合成一个比较大的原子核，核裂变就是一个大质量的原子核分裂成两个比较小的原子核，在这个变化过程中都会释放出巨大的能量,前者释放的能量更大。
世界上的每一种物质都处于不稳定状态，有时会分裂或合成，变成另
太阳中心核聚变
外的物质。物质无论是分裂或合成，都会产生能量。由两个氢原子合为一个氦原子，就叫核聚变，太阳就是依此而释放出巨大的能量。大家熟悉的原子弹则是用裂变原理造成的，目前的核电站也是利用核裂变而发电。核裂变虽然能产生巨大的能量，但远远比不上核聚变，裂变堆的核燃料蕴藏极为有限，不仅产生强大的辐射，伤害人体，而且遗害千年的废料也很难处理，核聚变的辐射则少得多，核聚变的燃料可以说是取之不尽，用之不竭。
编辑本段运行
核聚变要在近亿度高温条件下进行，地球上原子弹爆炸时可以达到这个温度。用核聚变原理造出来的氢弹就是靠先爆发一颗核裂变原子弹而产生的高热，来触发核聚变起燃器，使氢弹得以爆炸。但是，用原子弹引发核聚变只能引发氢弹爆炸，却不适用于核聚变发电，因为电厂不需要一次惊人的爆炸力，而需要缓缓释放的电能。关于核聚变的“点火”问题，激光技术的发展，使可控核聚变的“点火”难题有了解决的可能。目前，世界上最大激光输出功率达100万亿瓦，足以“点燃”核聚变。除激光外，利用超高额微波加热法，也可达到“点火”温度。世界上不少国家都在积极研究受控热核反应的理论和技术，美国、俄罗斯、日本和西欧国家的研究已经取得了可喜的进展。
《核聚变》【公开课教学PPT课件】高中物理
四、作业及资料推荐
• 写一篇《核聚变的前景》科技小论文 • 资料推荐：博文《科技大停滞》
（http://blog.sina.com.cn/s/blog_3c4e19860102w4ll.html）
上下杂天 则则然地 结 为为赋有 束 日河流正 语 星岳形气
谢谢观看
主要成分：氢
核
+
聚
高温1.5 x 107K
变
高压2000亿帕斯卡
科学家估计：
太阳核聚变能维持90~100亿年
核聚变的利用——氢弹
弹体
普通炸药
小 型
铀235
原 子
外壳
弹
氘、氚等热 核燃料
引爆装置
三种组合：
普通炸药 爆炸
Ｕ235
裂变
氘、氚 聚变
2 1
H
+
3 1
H
4 2
He
+
1 0
n
一、核聚变 （热核反应）
人教版选修3-5第十九章《原子核》
第7节 核聚变
人类正面临严重的能源问题
世界能源消耗
主要使用化石能源 化石能源使用量 在不断增长
世界人口增长曲线
2017年 75亿
目前世界已探明能源储量
•石油：可用40年 •天然气：可用60年 •煤：可用230年 •铀：可用70年
核聚变
国际热核实验堆ITER装置
由于核聚变研究是一项耗资 巨大、研究周期相当长的大 科学研究项目，人们开始认 识到只有开展广泛的国际合 作才是加速实现核聚变能利 用的可行之路。 2006 年 11 月21日，中国、欧盟、美国、 日本、俄罗斯、韩国、印度 在法国巴黎正式签署了《国 际热核聚变实验堆 ITER 联 合实施协定》， ITER （国 际热核聚变实验反应堆）是 规划建设中的一个为验证全 尺寸可控核聚变技术的可行 性而设计的国际托卡马克实 验堆。此项目预期将持续30 年： 10 年用于建设， 20 年 用于运行，总花费大约 100 亿美元。
核工业西南物理研究院是我国聚变能研发的重要力量，也是我 国参与国际热核聚变堆研究计划的重要技术支撑单位之一。在长达 半个世纪的核聚变科学研究中,核工业西南物理研究院实现了我国 核聚变研究由原理探索到大规模装置实验的两次跨越发展，为我国 核聚变能源开发事业做出了重要贡献。
核聚变技术的研究开发意义不 仅仅在于实现核聚变能源的商业应 用。尽管核聚变研究开发进程的道 路艰难而曲折，但在漫长的核聚变 科学研究过程中开发出的尖端技术 同时又产生出众多对产业有贡献的 革新技术. 并带动了各个尖端科技 领域的进步。
水能
人 类 使 用 的 大 自 然 能 源
风能
太阳能
潮汐能
生物能
对于裂变而言，由于存在着延迟好几秒的中子存在， 有温度不是很高，故可在现有的技术上实现人工 控制
中国科学技术大学研究生院科学岛分院
中国科学技术大学研究生院科学岛分院博士研究生课程设置
中科院合肥物质科学研究院研究生处
二〇一六年七月
目录
一、课程说明 (3)
二、各学科专业课程设置 (5)
专业名称：材料物理与化学（080501） (5)
专业名称：等离子体物理（070204） (5)
专业名称：光学（070207） (6)
专业名称：核能科学与工程（082701） (7)
专业名称：环境科学与工程（083000） (8)
专业名称：计算机应用技术（081203） (9)
专业名称：检测技术与自动化装置（081102） (10)
专业名称：精密仪器及机械（080401） (10)
专业名称：模式识别与智能系统（081104） (11)
专业名称：凝聚态物理（070205） (12)
专业名称：生物物理学（071011） (12)
一、课程说明
博士生学位课程由公共必修课、专业学位课和必修环节三部分组成，总学分应不低于23学分。其中公共必修课（综合英语、学术交流英语和中国马克思主义与当代）以课堂教学为主，由科学岛分院统一组织；专业学位课学习可采用读书笔记报告或笔试等多种形式，由导师和导师组负责。博士生学位课程学习时间可根据科研工作需要确定，一般应安排在第一学期，最迟应在入学后的一年半内完成。申请博士学位研究生通过全部学位学习课程考试，成绩合格者方可参加博士学位论文答辩。考试成绩不合格者不得补考，并取消学籍。
专业学位课程设置应注重综合性、前沿性和交叉性，以综述性前沿讲座为主，其内容包括两方面：一方面是拓宽专业基础所需要的理论和实验课程，另一方面是为进入学科前沿，结合研究课题所需阅读的专著、文献和必须掌握的新理论，新方法等。对于学科交叉或所学专业，研究方向改变的博士生，必须补充学习2-3门本专业或相关专业的基础理论或专业课程。课程的选择和内容应注意与硕士学位课程的衔接，在硕士学位课程的基础上拓宽加深。
核聚变 课件
(3)夸克所带电荷 夸克所带的电荷量是分数电荷量，即其电荷量为元电荷 的－13或＋23.例如上夸克带的电荷量为＋23e，下夸克带的电荷 量为－13e.
粒子具有对称性，有一个粒子，必存在一个反粒子，所 以每种夸克都有对应的反夸克．
目前普遍认为，质子和中子都是由被称为 u 夸 克和 d 夸克的两类夸克组成，u 夸克带电荷量为23e，d 夸克带 电荷量为－13e，e 为元电荷，下列论断中可能正确的是( )
假设一个铀核裂变时平均放出的能量为 200 MeV，则 1 kg 铀核全部裂变时放出能量为
ΔE2＝1203050×6×1023×200 MeV≈5×1032 eV ΔΔEE12≈5.3.
2．热核反应的控制技术以及聚变的应用 (1)控制方法 ①磁约束：利用强磁场来约束参加反应的物质．目前性 能最好的磁约束装置是环流器(又称托卡马克).2002 年 12 月 “中国环流器二号”开始运行． ②惯性约束：利用强激光的惯性压力约束参加反应的物 质． 目前可控核聚变还处于基础研究阶段．
受控热核反应
1.聚变与裂变相比有很多优点 (1)轻核聚变产能效率 高 ． (2)地球上聚变燃料的储量 丰富 ． (3)轻核聚变更为 安全、清洁 ． 2．实现核聚变的方法 (1)难点：地球上没有任何容器能够经受几百万开尔文的高 温． (2)方案：科学家设想了两种方案，即磁约束和 惯性约束， 环流器 是目前性能最好的一种磁约束装置.
Nuclear fusion (核聚变)
+ 3H → 4He + n + 17.59MeV
Tritium Breeding
6Li
+ n → 4He + 3H + 4.8MeV 7Li + n (fast) → 4He + 3H + n (slow)
Deuterium-Deuterium Fusion 2H + 2H → 3He + n + 3.27MeV
Other important reactions
Deuterium-Tritium Fusion
The reaction yields 17.6 MeV of energy but requires a temperature of approximately 40 million Kelvins to overcome the coulomb barrier and ignite it.
Applications
Electricity generation
Sources of Electricity in France in 2006
Fusion power advocates commonly propose the use of deuterium or tritium as fuel and in many current designs also lithium and boron. Advantages over fission power: • Abundant fuel supply. Deuterium can be readily extracted from seawater, and excess tritium can be made in the fusion reactor itself from lithium. • Safe. The amounts of fuel used for fusion are small compared to fission reactors. Most fusion reactors make less radiation than the natural background radiation. • Clean. No combustion occurs in nuclear power (fission or fusion), so there is no air pollution. • Less nuclear waste. Fusion reactors will not produce high-level nuclear wastes like their fission counterparts. Although this process has yet to be realized, many experts believe fusion to be a promising future energy source due to the above advantages.
核聚变知识点总结
核聚变知识点总结
一、核聚变的基本原理
核聚变是指两个轻原子核结合成一个更重的原子核，并释放出大量的能量。在核聚变过程中，两个原子核之间的斥力被克服，原子核间的吸引力带来的库伦势能被转化为核势能，导致核结合能的释放。核聚变的最重要的反应是氘和氚的聚变反应，即：
2H + 3H → 4He + n
这个过程释放出大量的能量，是目前人类利用的最主要的核聚变反应。
核聚变过程中释放的能量来源于原子核结合能的差异，也就是说，在反应前后原子核的质量发生了变化。根据爱因斯坦的质能方程，ΔE=Δmc^2，质量的变化导致了能量的释放，这就是核聚变释放能量的基本原理。
二、核聚变的实现方法
目前人类实现核聚变的方法主要有两种：惯性约束核聚变和磁约束核聚变。
1. 惯性约束核聚变
惯性约束核聚变是利用激光或者离子束等外部能量源对核燃料进行加热和压缩，从而实现核聚变反应。这种方法的优点是能量密度高，但是实现过程中要求能量源对燃料进行非常强烈的压缩和加热，技术难度非常大。
2. 磁约束核聚变
磁约束核聚变是利用磁场来约束等离子体，使其达到足够高的温度和密度，实现核聚变反应。磁约束核聚变的优点是可以在相对较低的温度下实现反应，并且不需要外部压缩力，因此技术难度较小。但是也需要超级导体、等离子体稳定控制等技术来实现。
三、核聚变的研究进展
核聚变的研究历史可以追溯到上世纪初，但是直到现在，人类依然没有找到一种实用的、可持续的核聚变能源。不过，近些年来，国际上的核聚变研究取得了一些进展。
1. ITER项目
ITER项目是国际热核聚变试验堆，是目前全球最大的核聚变研究项目。该项目由欧盟、美国、日本、俄罗斯、中国、韩国等国共同合作建设，旨在验证核聚变能源的可行性。ITER项目计划于2025年开始运行，预计将给核聚变能源开发带来重大突破。
核聚变PPT课件
核 聚 变 反 应 原 理 核聚变能是两个较轻的原子核结合成一个较重的原子
核时释放的能量，产生聚变的主要燃料之一是氢的同位 素氘，氘广泛地分布在海水中。
5
1、聚变反应
D + T 4He (3.52MeV) + n (14.1MeV) D + D 3He (0.82) + n (2.45) D + 3He 4He (3.66) + p (14.6) D + D T (1.01) + p (3.02) D－T 反应是最可能得到实际应用的反应。 D－D 反应是最终想要到达的反应。（丰富，清洁，难度大）
日本JT-60U装置
欧共体JET装置
美国TFTR装置 22
中国环流器2号A(HL-2A)与聚变研究
中国环流器二号A（HL-2A）装置
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2、生产氚反应
6Li + n 4He +T +4.78MeV
氚是氢的同位素，它是放射性元素，半衰 期为12.3a,在自然界很少，必须人工生产。
生产氚的方法是：在聚变堆包层中装入锂， 利用D－T反应生成的高能中子与锂反应生成 氚。
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3、聚变有两条不同路径，从而通过这些途径成功实现人工控制
1. 利用非常稀薄的燃料，故而反应速度减慢，这 样就可以适当控制反应——（托卡马克装置）。
第01讲工程导论
九、电话。使家庭成员、公司之间在世界任何地方和任何时间保持瞬时联系， 使地球变小，工作节奏加快。
十、空调制冷技术。成为人们的健康、运输、食品保鲜的不可缺少的设施。 人们可以在地球上最冷和最热的地方工作和生活。
长城横贯中国华北和华中地区。由于历史上每一个诸侯国和王朝的 疆域都不同，因而修筑的长城也都不在一条线上，所以长城的起止 和长度也都不一样。据大致推测，长城总长度为七千多公里，接近 一万五千里，因此它通常被叫做“万里长城”。城墙最高处将近十 米。
都江堰
都江堰
都江堰坐落于四川省都江堰市城西，位于成都平原西部的岷 江上。都江堰水利工程建于公元前256年，是全世界迄今 为止，年代最久、唯一留存、以无坝引水为特征的宏大水 利工程。属全国重点文物保护单位。
二、汽车。发明于19世纪，而大批量工业生产是20世纪。小轿车、运货卡 车成为全世界中、近程主要运输工具，成为社会生产和生活须臾不能离开的工具。
三、飞机。发明于1903年，开始用于军事。20世纪下半叶成为远程主要运 输手段，大大拉近了城市、国家和洲际间距离。
四、自来水。为人类提供干净和充足的饮用水，大大减少了疾病的传染，显 著提高了人类的生活质量和平均寿命。
三峡工程
三峡工程
三峡工程全称为长江三峡水利枢纽工程。整个工程包括 一座混凝重力式大坝，泄水闸，一座堤后式水电站， 一座永久性通航船闸和一架升船机。三峡工程建筑由 大坝、水电站厂房和通航建筑物三大部分组成。大坝 坝顶总长3035米，坝高185米，水电站左岸设14台， 右岸12台，共表机26台，前排容量为70万千瓦的小轮 发电机组，总装机容量为1820万千瓦时，年发电量 847亿千瓦时。通航建筑物位于左岸，永久通航建筑 物为双线五包连续级船闸及早线一级垂直升船机。
核工程与核技术专业本科课程设置
核工程与核技术专业本科课程设置
引言
核工程与核技术是一门关乎能源、安全和环境等领域的重要学科，是国家发展战略中的重要组成部分。为了培养具备核工程与核技术相关知识和技能的专业人才，核工程与核技术专业的本科课程设置非常重要。本文将介绍核工程与核技术专业本科课程设置的内容。
一、核工程与核技术专业本科课程概述
核工程与核技术专业本科课程旨在培养学生具备核技术及其应用领域的基本理论和专业知识，具备核能及其应用领域技术研究和开发的能力，以及核安全管理、核废物处理等方面的技能。通过开设相关的理论和实践课程，使学生全面了解核工程与核技术领域的前沿发展动态，掌握核工程与核技术的基本理论和实务技能，为核工程与核技术相关工作做好准备。
二、核工程与核技术专业本科课程设置目标
核工程与核技术专业本科课程设置的目标是培养学生具备以下能力和素质： - 掌握核工程与核技术的基本理论和实践知识。 - 具备核工程与核技术相关工作的基本能力。 - 具备核能及其应用领域的研究和开发能力。 - 具备核安全管理和核废物处理等方面的技能。 - 具备团队合作和创新能力。
三、核工程与核技术专业本科课程设置详细内容
1.核工程与核技术基础课程：包括核物理学、核辐射测量与防护、核燃料
与堆芯设计、核反应堆物理与热工水力学等方面的基础理论课程，旨在使学生掌握核工程与核技术的基本原理和理论知识。
2.核工程与核技术实践课程：包括核技术实验、核工程实验、核电站导论
等实践课程，通过实践环节，使学生进一步巩固理论知识，提高实验能力和实践技能。
3.核能及其应用领域课程：包括核材料学、核燃料循环与截获技术、核工
核聚变原理讲解
核聚变原理讲解
核聚变是一种极为强大的能量释放过程，它是太阳和恒星能量来源的基础原理。核聚变反应将两个轻原子核融合为一个更重的原子核，同时释放出巨大的能量。这一过程可以用以下的方程式来描述：
h + h →he + e + ν
其中，h代表氢核，he代表氦核，e代表电子，ν代表中微子。
核聚变的能量来源于轻原子核的质量差异和质能方程E=mc²，轻原子核融合后形成的更重原子核的质量较轻原子核的质量小，因此质能发生了转化，并以巨大的能量形式释放出来。
在核聚变的过程中，有两个主要的原理。首先，轻原子核必须克服库仑斥力以实现靠近足够接近，以克服相斥力，使得强引力可以作用于原子核。其次，要使反应发生，轻原子核必须具有足够的能量克服库仑势垒。
为了实现这些条件，需要在高温和高压环境下进行核聚变实验。一种常用的方法是使用等离子体来进行核聚变。等离子体是一种高度电离的气体，其中的电离原子或离子可以在外加电磁场下以高速运动。在核聚变实验中，通常使用氢等离子体作为燃料。
核聚变实验通常使用两种主要的反应路径：质子-质子链和碳氮氧（CNO）循环。
质子-质子链是最重要的核聚变路径之一，直接涉及氢的聚变。在这个过程中，两个质子会经历一系列的核反应产生氦核。首先，两个质子聚变成一个二中间子，其中一个二中间子会衰变产生一个正电子和一个中微子。接下来，正电子与一个电子发生湮灭，形成了两个光子。最后，这两个光子会转变为两个γ射线，进而产生氦核。
碳氮氧（CNO）循环是另一种核聚变反应路径，涉及碳、氮和氧原子核的聚变。CNO循环首先将质子与氮-14原子核聚变，产生碳-15原子核和一个正电子。接下来，碳-15原子核快速衰变为氮-15原子核，再与另外一个质子聚变生成氦-4原子核。整个过程经历了多个反应与衰变步骤，最终将质子转化为氦核，释放出能量。
核聚变
核能（或称原子能）是通过转化其质量从原子核释放的能量，符合阿尔伯 特· 爱因斯坦的方程E=mc²，其中E=能量，m=质量，c=光速常量。核能通 过三种核反应之一释放：1、核裂变，打开原子核的结合力。2核聚变，原子 的粒子熔合在一起。3、核衰变，自然的慢得多的裂变形式。
核能(nuclear energy)是人类历史上的一项伟大发现，这离不开早期西方 科学家的探索发现，他们为核能的应用奠定了基础。
核聚变能的反应条件
缺点：反应要求极 高，技术要求极高。 需要在高温高压或 强磁场的约束下进 行。要达到摄氏2亿 度的高温或制造极 其强大的磁场是人 们尚不能企及的。 目前人类已经可以 实现不受控制的核 聚变，如氢弹的爆 炸。
可控核聚变反应
目前，可行性较大的可控核聚变反 应装置就是托卡马克装置。
托卡马克是一种利用磁约束来实现 受控核聚变的环性容器。它的名字 来源于环形、真空室、磁、线圈。 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。
核聚变不属于化学变化。
来自百度文库要原料氘氚的介绍
• 氢原子内有一个质子和一个电子，氕氘氚是氢的 同位素，氕是氢本身，它们的区别在于质子数和 中子数的不同。 • 氢的三种同位素：氕（H）原子核内有一个质子， 无中子，丰度为99.8%。氘（D）又叫重氢，原子 核内有一个质子和一个中子，丰度为0.016%。氚 （T）又叫超重氢，原子核内有一个质子两个中子， 丰度为0.004%
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29
托卡马克的进展
30
主要的托卡马克装置
T-3 T-4 ST PLT ALCATOR-C FT TFTR JET JT-60 DIIID ASDEX ITER DEMO 国内
CT-6 HT-6B HT-6M HL-1 HL-2A HT-7 EAST
HL-2A 极向场系统
1, 2, 3 – 多极场线圈 4 – 真空室 5 – 环向场线圈 6 - 欧姆线圈 7 – 等离子体
托卡马克的平衡
Grad-Shafranov方程
2 2 1 0 Rj 2 2 R R z R
( R 2 )
International Thermal-nuclear Experimental Reactor (ITER) 中国建国以来最大的国际科技合作项目
相对ITER的尺寸比较
40
托卡马克的进展
41
42
聚变能源的和平利用
预期的时间表（Possible Time Schedule）
国内的托卡马克
Q=1.25 DT运行 DT运行 长截面
T-10
Tore Supra ASDEX-U FTU TEXTOR94 TCV
Kurchatov
Cadarache Garching Frascati Julich Lausanne
1.5
2.37 1.65 0.93 1.75 0.88
0.37
0.8 0.5 0.3 0.46 0.24
磁约束概念
在均匀磁场中，带电粒 子的运动轨迹为螺旋线， 可分解成
平行磁场方向的自由运动 垂直磁场方向的回旋运动
回旋频率 回旋半径
17
带电粒子在磁场中的静电漂移和重力漂移运动
静电漂移
重力漂移
18
带电粒子在非均匀磁场中的漂移运动
梯度漂移
曲率漂移
19
带电粒子在磁镜场中的运动
20
据有关资料预 测，到本世纪中叶 前后，全世界能源
300
消费的需求将超过
传统能源的供给能 力，必需开发新的 能源以弥补消费的 需求！
200
World energy consumption
100
Energy available (fossil， hydro，non-breeder fission)
0 1900
得失相当
3n T 1 PDT e Pbrem 5 tE
net E 3T 1 20
DT
EDT c T
自持燃烧
13
实现聚变的三种途径
美国Nova激光聚变装置
1985年建成，10路 45000焦耳，1纳秒 2倍频/3倍频
美国国家点火（NIF）激光聚变装置
2003年建成, 192 束 180万焦耳，3纳秒 500TW，近紫外光
net E 3T 1
1 E fus c T c T 4
劳逊判据
3neT
tE
Pbrem
4 3n T 1 Pfus Pfus Pbrem e 5 tE 5
net E
3T 1 1 1 4 DT EDT c T 1 4 5 5
Plasma
Ions Neutrals
EAST 4WM强流中性束注入
Negative-NBI-BL1
部分大型装置的NBI的参数
Positive-NBI-BL4
装置 名称 PLT 能量 /keV 40 50 80 80-120 80-140 120 流强 /A 60 100 60 60 100 100 功率 /MW 10 10 20 40 40 40
44
球形托卡马克的进展
环径比A=R/a, A<1.5称球形托卡马克
磁场利用率高 高的比压和安全因子 自然偏滤器位形 无大的破裂 材料问题更严重
球形托卡马克ＭＡＳＴ
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托卡马克的磁场位形
• 磁场位形主要由强的环向 磁场和等离子体电流产生 的较弱极向磁场组成，磁 面形状为轴对称的环面， 磁力线为绕环面旋转的螺 旋线。 环向磁场和极向磁场相互 叠加使磁力线绕磁轴旋转， 称为旋转变换，它可以抑 制带电粒子漂移造成的损 失。
核聚变工程导论
1
主要内容
堆芯等离子体物理 包层与偏滤器 磁体与电源 加热系统 真空室 抽气系统 加料系统 水冷及氚系统 材料辐照损伤及聚变堆材料 环境与安全
2
参考书目
物理
磁约束聚变-原理与实践，石秉仁，原子能出版社，1999 核聚变原理，朱士尧，科大出版社，1988 Tokamak (4nd) , John Wesson, Clearendon Press, 1997 托卡马克实验的工程基础，秦运文，原子能出版社，2011 聚变堆原理及其应用，邱励俭，科学出版社，2008
钯电极电解、声致发光的机制
9
宇宙中绝大多数物质处于等离子体态
•等离子体（Plasma）的定义：等离子体是由大量带 电粒子组成的非束缚态宏观体系。
•在气体中电离成分只要超过千分之一，它的行为主要 就由离子和电子之间的库仑作用力所支配，中性粒子 之间的相互作用退居次要地位。并且电离气体的运动 受电磁场的影响非常明显，它是一种导电率很高的导 电流体,跟固态、液态、气态相比，它是一种性质奇特 的全新物质聚集态。鉴于在这种聚集态中电子的负电 荷总数和离子的正电荷总数在数值上是相等的，宏观 呈现电中性。因而也叫它等离子体。
工程
托卡马克装置工程基础，袁保山，姜韶风，陆志鸿，原子 能出版社，2011
3
400
Assumes world population stabilizes at 10 billion，consuming at 2/3 U.S. 1985 rate. Shortfall must be supplied by afterative sources.
4.5
4.5 3.9 8.0 2.8 1.4
0.68
2.0 1.4 1.3 0.8 0.17 超导磁体 Ｈ模 强磁场 杂质问题 截面形状
32
TFTR
日本JT-60装置
欧洲JET，英国，Culham
36
主要磁约束核聚变装置
EAST Tokamak China
ASDEX-U Germany
Tore Supra France
等离子体加热与电流驱动
欧姆加热 中性束注入加热 射频波加热
电子回旋共振加热 低混杂波共振加热 离子回旋共振加热 阿尔芬波共振加热
电流驱动
NBI, LHCD, FW,自举电流
52
中性束注入
Separation Magnet
Accelerator
Neutralizer Beam Beam Dump Transport Tube
判断：产生的中子是不是各向同性
6
氘氚反应---“人造小太阳”可以最终解决能源问题
吗?
D + T → 4He(3.52MeV) + n(14.06MeV)
重水约占自然界水分子的6700分之一 一升水可抵300多升汽油 聚变能源实际上是取之不尽的可供人类使用上亿年 6Li + n → T + 4He+4.79MeV 7Li + n → n + T + 4He-2.47MeV 锂：它是产生氚的材料。
可以用一种装置将其动能直接转化为电能。这样的转换器由一系列 收集离子的栅状电极构成
8
核聚变与等离子体的关系
聚变反应必须在极高的温度才能发生，原子核 以极高的速度作规则运动，连续相互碰撞，发 生大量聚变，这样的核反应是在核的热运动中 发生的，称为热核反应。 温度T达到108K-109K----高温等离子体是唯一 的途径 冷聚变是一场骗局吗？
•
47
托卡马克磁体系统组成
环向场系统
产生强的环向磁场,与等离子体电流产生的较弱极向磁场形 成具有旋转变换的磁场位形 加热场 平衡场 成形场 反馈场 变压器原理 感应等离子体电流 焦耳热 抵消等离子体向外扩张 多极场 形成拉长截面 配合被动致稳部件 控制等离子体的垂直
极向场系统
48
束靶反应
然可在粒子加速器中或用其它方法如放电将氘核加速达到足够 的能量，用来轰击同样材料的靶或氚。但是，即使我们用此方 法实现聚变反应，所获得的能量输出也是微不足道的。这样的 高能定向粒子流产生的聚变反应称束靶反应
热核反应
作为能源的聚变反应只能在高温下实现。这时物质呈 等离子体态，反应粒子以很高速度进行无规的热运动， 以一定的几率相互碰撞发生反应。这样的反应称热核 反应。
KSTAR Korea
ITER, one of a kind, but not the first fusion facilitiy
Plasma edge effect
ITER specific issues: Dust tritium invento
TRIAM, J
EAST, China
ITER 装置
2
0
R
j
F ( ) F ( )
( R ) 0 p ( )
2 0
R2
50
各极向场线圈电流对等离子体成形的影响
位于中心螺管的PF1、PF3和PF5线圈主要起加热 作用，在一般情况下很少对其进行调节。 PF7 和 PF9 线圈的电流与等离子体电流同向，增 加该组线圈的电流，可以使等离子体拉长；同时 驱动等离子体的内侧位置外移。 PF11 与 PF13 线圈的电流与等离子体电流反向， 增加PF11线圈的电流可以使三角形变增大。 PF11 线圈电流增加对外侧区域磁场的影响比对内 侧区域磁场影响强，导致磁面外侧向中心压缩， 从而降低等离子体小半径。 增大 PF13 线圈的电流可以使等离子体柱向中心螺 管方向移动。由于挤压作用相应地拉长比也会增 加。 通过极向场线圈电流的调节，可以形成理想的 偏滤器平衡磁位形。 平衡位形的最终形成是等离子体与所有极向场 线圈电流共同作用的结果。单一改变某组极向场 线圈中的电流对等离子体平衡位形产生上述主要 影响的同时，也会产生其它的连带作用。
2000
2100
2200
2300
Shortfall begins Year (A.D.)
聚变能与能源危机
化石能源 石油 天然气 煤炭 再生能源 水能 风能 太阳能 潮汐能 地热能 生物能 核能 裂变 聚变
5
主要可用聚变反应
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)
10
聚变需要亿度高温
劳逊判据（Q＝1）
T>10keV （1亿度）
nt > 3x1020m-3s
实现聚变反应的条件
Biblioteka Baidu
温度 > 10 KeV 约束
12
劳逊判据
1 2 3neT 3neT 4 ne E fus Pbrem t t Pbrem E E
锂在地球上有比较丰富的儲量，我国可采锂儲量超过数百万吨，粗 糙估计足够用上几干年。而海水中蕴藏的锂比陆地上多至少一个量 级，应该说锂资源也不是问题。 另外,放射性环境污染不严重
7
氘氦3反应
D + 3He → 4He(3.67MeV) + p(14.67MeV) 不产生中子，没有中子辐照损伤的问题 先进燃料聚变反应堆 3He储量在月球上 反应产物全为带电粒子，
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主要大中型托卡马克装置（国外）
装置名称 JT-60U TFTR JET DIII D 地点 JAERI Princeton Abinhdon GA 大半径 (m) 3.4 2.4 3.0 1.67 小半径 (m) 1.1 0.8 1.25 0.67 磁场 (T) 4.2 5.0 3.5 2.1 电流 (MA) 2.5 2.2 5.0 1.6 特点
直线型的装置
Z-pinch 磁镜
21
Pinch
22
等离子体不稳定性
23
各种类型的磁镜
24
环型磁约束装置
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仿星器和托卡马克
仿星器
稳态,无破裂 复杂
托卡马克
性能好 脉冲运行
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仿星器
27
各种类型的仿星器
28
托卡马克装置
等离子体电流产生极向磁场实现旋转变换，消除磁场 不均匀造成的漂移和粒子损失