可控核聚变与ITER计划_冯开明

第23卷第5期2006年10月现代电力M odern Electric Pow erV o l123N o15O ct12006文章编号:1007-2322(2006)05-0082-07文献标识码:A中图分类号:T M63112+4可控核聚变与ITER计划冯开明(核工业西南物理研究院,四川成都)摘要:本文简要介绍了我国能源的基本情况,核聚变能和可控核聚变的基本原理,国际热核聚变实验堆ITER的历史与现状。

最后,对我国磁约束核聚变的研究发展做了简要回顾。

关键词:可控核聚变;ITER计划;磁约束;托卡马克0引言能源是社会经济发展的物质基础,随着社会的发展和人类文明的进步,人类对能源的需求也越来越大。

从化石燃料提供的能源来看,地球上的化石燃料资源有限,煤储量有可能维持200年左右,石油、天然气仅能维持几十年;另一方面大量使用化石燃料,特别是煤炭,造成了严重的环境污染,而且能源结构单一,经济效益不合理。

我国有13亿人口,目前的人均能源消耗仅为世界人均能耗的1/2,发达国家的1/40,主要能源是煤,而人均占有量远远低于世界水平。

中国GDP正以年增长7%~8%的高速度发展,预计到2050年我国人口将增至15~16亿,根据国家发展远景规划,届时我国的人均GNP将为4000~6000美元,对能源将有巨大的需求。

因此,我们将比其他任何国家更快遇到能源短缺和大量使用化石燃料造成严重环境污染的问题。

从长远来看,核能将是继石油、煤和天然气之后的主要能源,人类将从/石油文明0走向/核能文明0。

目前我国正在运行的核电站都是核裂变电站。

核裂变虽然能产生巨大的能量,但远远比不上核聚变。

另一方面,裂变堆的核燃料蕴藏极为有限,而且存在棘手的废物处置问题。

因此,核聚变能被称为人类未来的永久能源。

从我国巨大的能源需求、资源的限制、环境的压力和核聚变研究进展来看,发展聚变能是改善未来能源结构,推动在半世纪实现能源顺利换代的根本出路。

经过近半个世纪的努力,国际聚变研究已经取得长足的进展,由欧盟、中、日、俄、美、韩、印七方参与的国际热核聚变实验堆IT ER计划,已经进入建设阶段。

为此,有关部门已经将磁约束核聚变研究列入国家中长期科技发展规划,推动我国核聚变研究的发展。

1核聚变能是理想的能源太阳的能量来自轻核聚变反应。

太阳每秒将6157亿吨氢聚变成氦,亏损的质量转化成巨大的太阳能,成为支持太阳系统内一切活动的能量源泉。

氘-氚聚变反应将释放巨大的能量,一升海水中含30m g氘,通过聚变反应可释放出的能量相当于300多升汽油的能量,而反应产物是无放射性的。

这就是说,1升海水可产生相当于300升汽油的能量。

一座100万kW的核聚变电站,每年耗氘量只需304kg。

据估计,天然存在于海水中的氘有45亿吨,把海水中的氘通过核聚变转化为能源,按目前世界能源消耗水平,足以满足人类未来几十亿年对能源的需求。

但是在地球上实现持续的轻核聚变反应,要求相当苛刻的条件。

它要求产生热核聚变的等离子体维持足够高的温度、密度的约束时间,达到劳逊条件(温度@密度@能量约束时间,或称聚变三乘积)。

例如,实现氘-氚聚变反应的条件是:等离子体温度达2亿度,同时粒子数密度达1020m-3,能量约束时间超过1s。

在这样极高的温度下,所有物质都变成完全电离的气体-等离子体。

利用强磁场可以很好地约束带电粒子,将等离子体约束在一种特殊称为真空室的磁容器中,并将聚变燃料加热至数亿度高温,以实现可控聚变反应并获得聚变能。

由于实现可控聚变的条件十分可观。

因此,聚变能源的开发和应用,被认为是人类科学技术史上遇到的最具挑战性的特大科学工程。

核聚变能又是一种洁净安全的能源。

聚变燃料是按一定速度和数量加入,任何时候在反应室内的聚变燃料数量都不大,在进行核聚变反应时,即使失控也不会产生严重事故。

此外,它不产生二氧化碳和二氧化硫等有害气体,也不会像核裂变那样产生大量裂变产物,特别是半衰期长的锕系元素。

核聚变的反应产物是无放射性的惰性气体氦,所产生的放射性物质只是可能泄漏的微量氚和半衰期很短的活化材料。

因此,聚变能将是人类可持续发展的最理想的清洁而又资源无限的新能源。

2 可控核聚变研究进展实现受控核聚变有磁约束和惯性约束两种途径。

国际磁约束核聚变研究始于1950年代,经历了从最初的少数几个核大国进行秘密研究阶段,到1950年代末的技术解密,再到1960年代后世界范围内很多国家合作参与的研究阶段。

在磁约束受控核聚变途径的探索方面,也经历了从快箍缩、磁镜、仿星器等途径。

从1980年代开始,主要集中于以托卡马克装置为主的研究途径上。

虽然从发展聚变堆的角度来看,托卡马克目前仍有一些关键问题需要通过实验加以验证,公认的是只有它才具备建造实验性聚变反应堆的基本条件。

图1为托卡马克装置的主要部件示意图[1]。

图1 托卡马克装置的主要部件示意图1980年代以来,国际磁约束受控核聚变研究取得了显著进展,一批大型和超大型托卡马克装置(美国的T FT R 、欧共体的JET 、日本的JT -60U 、前苏联的T -15等)相继建成并投入运行。

多项聚变工程关键技术迅速发展、高温等离子体的参数逐渐提高,主要物理参数已接近达到为实现受控核聚变所要求的数值。

在典型的装置上,聚变燃料已可被加热到2~4亿度的高温,表征聚变反应率最重要参数(聚变三乘积)已达到115@1021keV /m 3s,人类已经看到了实现聚变能源的曙光。

进入1990年代,国际受控核聚变研究取得了突破性的进展。

1991年末,人类首次用可控的方法在欧洲共同体联合环JET 装置上进行了首次氘-氚放电实验,获得聚变能达到314MJ,聚变功率达到117M W 。

随后,在美国普林斯顿大学的T FT R 装置上的氘-氚放电也获得成功,其输出的功率更高,达到了1017M W,获得聚变能615M J 。

1997年JET 装置创下了输出聚变功率1611MW 、聚变能2117M J 的世界纪录。

1998年,在日本原子能研究所的JT -60U 托卡马克装置上进行的D -D 反应的实验,其等效的氘-氚聚变反应的能量增益因子Q(能量增益因子定义为,聚变反应产生的能量与输入装置能量之比)已达到1125。

这些突破性进展宣告了以托卡马克为代表的磁约束核聚变的科学可行性在实验上已经得到了证实。

在进行磁约束研究的同时,20世纪60年代以来,由于激光的出现,惯性约束核聚变途经也在探索之中。

随着近年来大功率激光技术、粒子束技术的发展,惯性约束聚变研究也取得了重大的进展。

关于核聚变的/点火0问题,激光技术的发展,使可控核聚变的/点火0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W,足以/点燃0核聚变。

除激光外,利用超高额微波加热法,也可达到/点火0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。

受控核聚变研究的最终目标是建成资源极其丰富、经济性能优异、安全可靠、无环境污染的核聚变电站,使之成为人类未来的永久能源。

国际上将受控核聚变研究的发展分为6个阶段[2],即:①原理性研究阶段;②规模实验阶段;③点火装置试验阶段(氘氚燃烧实验);④反应堆工程物理实验阶段;⑤示范聚变电站阶段;⑥商用聚变电站阶段。

国际聚变界正处在点火装置即氘-氚燃烧实验阶段,并逐步向聚变反应堆工程物理实验阶段过渡。

由国际原子能机构(IAEA)主持的等离子体物理与受控热核聚变国际会议于1996年更名为聚变能国际会议,这标志着核聚变研究已经从基础科学研究转入实质性聚变能源战略研究和反应堆原理性研究与发展阶段。

国际聚变界在托卡马克装置稳步前进的同时,正在努力探索大幅度提高聚变电站经济竞争力的途径。

开展密实型堆芯等离子体约束的研究,如低径比托卡马克,反场箍缩等位形。

建造了一批兆安级等离子体电流的低径比托卡马克装置,开展大幅度83第5期冯开明:可控核聚变与IT ER 计划提高等离子体芯部和包层等核岛的功率密度的研究。

如美国自1998年开始,执行两个为期3年,多个研究机构合作的项目:先进功率提取研究和面向等离子体的先进液体表面研究,目的是提出并进行各种创新性概念的评估,选出可行的方案,为随后的研究和发展计划做好准备。

3国际热核聚变实验堆ITER计划311ITER计划概述由于在托卡马克聚变研究的道路上取得了稳步的实质性进展,1985年,美苏首脑在日内瓦峰会上提出建造国际热核聚变实验堆(Internatio nal Thermo-nuclear Ex perim ent Reacto r,ITER)。

此后在欧美日俄四方科学家与工程师的合作努力下,于1998年完成了IT ER的工程设计(Engineering Design A ctivity,EDA),当时的预算为100亿美元[1]。

其间,IT ER大量研究和发展工作、一系列原型部件模块的成功制造和实验,论证了实验性聚变堆的工程技术可行性。

在ITER的长期设计过程中,托卡马克实验不断取得进展,原设计依据的较低的约束模式逐步被当前大中型实验装置弃用,更好的高约束运行模式在近几年的实验中逐渐被了解和掌握,IT ER计划被要求改进设计。

改进设计的目标是100亿元的建造费用显得过高,需要研究降低造价。

同时,又能达到所需的物理要求,解决建堆有关的关键问题。

自1998年夏天以来,IT ER 计划开展了为期三年的ITER降低费用设计研究,称为ITER-RC。

美国由于其国内聚变政策调整,于1998年宣布退出ITER计划。

此后,欧、日、俄三方仍然全力推进IT ER的改进设计,到2001年完成了基于新运行模式的工程设计及大部分部件与技术的研发工作。

新的设计称为ITER-FEA T (Fusion Ener gy Advanced To kam ak),新设计在维持IT ER原有的主要物理与工程目标的条件下,经费被降到约46亿美元,预计的建设期为10年,运行实验期为20年。

将IT ER建在何处,一直是一个十分棘手的政治和技术问题。

参与IT ER计划的六方为此进行了长达两年的艰苦谈判,最后六方于2005年6月达成了将IT ER建造在法国卡达拉奇的协议并同意了IT ER新设计和部件预研。

这六方中,除欧、日、俄三方外,中国、美国和韩国分别在2003年的1月、2月和7月加入ITER计划的谈判。

随后,印度也于2005年底加入IT ER计划。

IT ER计划的七方于2006年6月在布鲁塞尔签署了合作建造ITER的政府间协议,根据ITER计划的最新进展,预计将在2016年前建成并投入实验。

ITER 装置的概貌和基本设计参数见图2和表1所示。

图2IT ER装置示意图[3]表1ITER装置的基本参数[4]总聚变功率500M W(700M W) Q(聚变功率/加热功率)>1014M eV中子平均壁负载0157M W/m2(018M W/m2)重复持续燃烧时间>500s等离子体大半径612m等离子体小半径210m等离子体电流15M A(17M A)小截面拉长比117等离子体中心磁场强度513T等离子体体积837m3等离子体表面积678m2加热及驱动电流总功率73M W由国际上主要核国家的聚变界历时十多年,耗资近15亿美元启动的ITER项目,将集成当今国际受控磁约束核聚变研究的主要科学和技术成果,第一次在地球上实现能与未来实用聚变堆规模相比拟的受控热核聚变实验堆,解决通向聚变电站的关键问题。