聚变堆(内部精品资料)
偶极场聚变堆概念特征及研究现状_核电论坛PPT
地磁场
V-磁通量管体积，即：
木星磁层 等离子体
磁偶极子磁场（偶极场）
二、偶极场聚变堆概念特征及研究现状
第12页
偶极场约束原理
好曲率区
1. 磁矩守恒：
等离子体 压强峰值
2. 纵向不变量：
坏曲率区
内压缩
3. 交换模稳定性：
临界点：ΔEp=0->δ(pVγ)=0,即
内能保持不变，当不稳定性使等 离 子体向外运动，导致等离子体 向内 的压缩。
核科学与工程学院 第10页
二、偶极场聚变堆概念特征及研究现状
（一）背景及国内外现状 （二）特点及突出优点 （三）实验装置、运行及结果 （四）应用开发前景及关键问题
二、偶极场聚变堆概念特征及研究现状
第11页
偶极场概念--来自天体等离子体研究
50年磁层探索：地球、 木星、土星、天王星、 海王星的；
氘-氚核聚变的产物是惰性气体氦4和中子，而氢的同位素氚（T）的半衰期为12年，短 期放射性。因此，核聚变能是一种清洁的理想能源。
一、磁约束核聚变发展现状及存在的挑战
核科学与工程学院 第4页
第一代D-T聚变反应堆原理
一、磁约束核聚变发展现状及存在的挑战
核科学与工程学院 第5页
磁约束核聚变类型
• 托卡马克 • 球托卡马克 • 仿星器 • 串级磁镜 • Z-箍缩 • 反场箍缩
先进聚变燃料
杂质及排灰效率
难点说明
难点：准稳态运行或长脉冲运行，自举电流/非 感应驱动电流
难点：没有商用化解决方案
难点：杂质反射进主等离子体；排热困难
难点：增殖效率低，价格昂贵。 初始氚：510kg/1GW；价格：84-130M$/kg。最大总费用： 13亿美元
聚变裂变混合堆
聚变裂变混合堆
聚变裂变混合堆是一种核反应堆设计，结合了聚变和裂变两种核反应过程。
该堆的目标是实现可控的核聚变反应，同时利用裂变过程产生的中子来维持聚变反应的持续进行。
聚变是一种核反应过程，将轻元素（如氘和氚）在高温高压下融合成更重的元素，释放出大量能量。
聚变反应具有巨大的潜力，是太阳和恒星的能量来源。
裂变是另一种核反应过程，将重元素（如铀和钚）分裂成较轻的元素，同样释放出大量能量。
核裂变是目前广泛应用于核电站的技术。
聚变裂变混合堆的基本原理是通过裂变过程产生的高能中子来驱动聚变反应。
裂变过程会释放大量中子，这些中子可以被聚变反应所吸收，从而让聚变反应继续进行。
这种混合堆的设计有很多挑战，包括如何控制核裂变反应和聚变反应的平衡、如何处理产生的高能中子等。
目前还没有实现可行的聚变裂变混合堆，但这种堆的研究仍然在进行中，被认为是未来核能发展的一个重要方向。
核聚变反应堆介绍
核聚变反应堆的原理可归结为两步：第一步，作为反应体的混合气必须被加热到等离子态（使温度足够高，电子能脱离原子核的束缚，原子核能自由运动），这时原子核可以发生直接接触，这个时候，需要大约10万摄氏度的温度。
第二步，为了克服库仑力，即同样带正电子的原子核之间的斥力，原子核需要以极快的速度运行，为了得到这个速度，最简单的方法就是——继续加温，加速布朗运动，要使原子核达到这种运行状态，需要上亿摄氏度的温度。
然后，氚的原子核和氘的原子核以极大的速度，发生碰撞，产生了新的氦核和新的中子，释放出巨大的能量。
经过一段时间，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。
这个过程只要氦原子核和中子被及时排除，新的氚和氘的混合气被输入到反应体，核聚变就能持续下去，产生的能量一小部分留在反应体内，维持链式反应，大部分可以输出，作为能源来使用。
但有一个问题，迄今为止，人类还没有制造出能过耐上万摄氏度的化学结构。
换一种思路，考虑物理实验来解决。
早在50年前，产生了两种约束高温反应体的理论，一种是惯性约束。
这一方法把几毫克的氘和氚的混合气体装入直径约几毫米的小球内，然后从外面均匀射入激光束或粒子束，球面内层因而向内挤压。
球内气体受到挤压，压力升高，温度也急剧升高，当温度达到需要的点火温度时，球内气体发生爆炸，产生大量热能。
这样的爆炸每秒钟发生三四次，并持续不断地进行下去，释放出的能量就可以达到百万千瓦级的水平。
这一理论的奠基人之一就是我国著名科学家王淦昌。
另一种就是磁力约束，建立一个环形的磁场，由于原子核是带正电的，那么只要磁场足够强大，原子核就会沿着磁力线的方向，沿着螺旋形运动，在环形磁场之外的一点距离，建立一个大型的换热装置（此时反应体的能量只能以热辐射的方式传到换热体），然后再把热能转换成电能。
苏联科学家塔姆和萨哈罗夫提出的这种方法相对于惯性约束，目前世界受控核聚变研究，主要集中在这个领域上。
聚变堆材料体系及特点
– 优点
• 危险性低（无Li反应） • 无磁流体动力学效应（MHD）
三、功能材料（涂层）
• 涂层功能
– 防氚渗透 – 作为绝缘层，降低MHD效应 – 防腐蚀层（增殖剂如LiPn）
• 涂层材料
– 氧化物层：Cr2O3、Al2O3、Y2O3、SiO2、TiO2等； – 钛基陶瓷涂层：主要包括碳化钛和氮化钛，或两种的复合或混合； – 硅化物涂层：SiC和Si3N4。
未来聚变DEMO堆和第一座聚变电站的首选结构材料 • 国际上目前发展的RAFM钢
– 日本的F82H, JLF-1 – 欧洲 EUROFER97 – 美国9Cr-2WVTa – 中国低活化铁素体马氏体钢（CLAM）
• 优点：
– 活化水平低
钒合金
– 运行温度高（700℃） – 辐照肿胀低 – 与Li有很好的相容性 Li自冷包层系统的首选结构材料
~109℃
增 殖 包 层
102℃
热 辐 射 屏 蔽 层
（液氮） ~ -200℃ (80k)
超 导 磁 体
生 物 屏 蔽
~ -269℃(4k)
高温-低温、高压-高真空、强电流-强磁场、极度复杂高技术系统
聚变堆相关关键学科
• 等离子体物理 （理论/实验、微波加热、真空、诊断等） • 核物理 （中子/光子/电子核设计与测量、辐射防护） • 热与低温物理 （热能、制冷、流体） • 电与磁物理 （超导、电源） • 材料技术 （金属/非金属、结构材料/功能材料) • 计算机技术 （仿真、可视化、控制、网络等） • 其他交叉 聚变堆材料是聚变能实现的“瓶颈“问题之一 －－> 聚变堆材料研究重要性
等离子体与材料表面相互作用
• 等离子体对材料的损伤
– 物理溅射
聚变堆的工程设计与优化研究
聚变堆的工程设计与优化研究聚变堆是一种未来能源的概念，它利用核聚变反应的能量输出来产生电力。
相比于我们现在使用的核裂变反应，聚变反应的核废料几乎没有产生，具有更好的环保性和可持续性，因此备受科学家和能源专家倡导。
在聚变堆的工程设计和优化研究中，需要关注材料、结构、热力学等多个方面的问题。
首先要考虑聚变堆壳体的材料。
由于聚变反应需要极高温度和高能粒子，所以材料必须能够承受巨大的热和辐射性环境。
其中最常用的材料是钨、铜和铁素体钢。
这些材料都具有良好的热传导性和辐射阻挡性，在聚变反应的环境中能够保持稳定。
此外，聚变堆的设计需要考虑材料的可持续性和回收利用，避免产生环境和资源浪费。
其次要考虑聚变堆的结构设计。
聚变堆需要在高温高压的环境中运行，因此结构必须具有足够的强度和稳定性。
堆的结构设计还必须考虑到磁场和等离子体的控制问题，这涉及到磁场线圈的布置和控制系统的设计。
冷却系统同样是聚变堆结构设计中的重要方面，堆的制冷要求非常高。
一般来说，制冷需要使用液体氦和氢，这些气体在高温下不会变成固体，在多次循环中逐渐冷却。
除此之外，热力学也是聚变堆工程设计和优化研究的重要方面。
聚变反应产生的高温和高压会导致等离子体内部的粒子（如氢同位素）产生诸如等离子体不均匀性、等离子体不稳定等问题。
这些问题需要通过聚变堆的设计和控制来解决，以实现聚变反应的可控性和稳定性。
最后，在聚变堆工程设计和优化研究中，需要重视聚变反应所产生的中子对材料的辐照损伤。
辐照损坏是聚变堆设备使用寿命限制的最主要因素之一，包括滞留伪原子、位错、导致材料变形等损伤。
材料的辐照损伤会导致其物理和化学性能发生变化，从而影响聚变堆的可靠性和使用寿命。
总之，聚变堆的工程设计和优化研究是一个复杂而多方面的过程，需要从材料、结构、热力学等多个方面来考虑实现其高效、可控和可持续性。
未来聚变能够成为整个人类应对能源挑战的巨大潜力，聚变堆的工程设计和优化研究也将在聚变技术的发展进程中起到至关重要的作用。
聚变裂变混合堆
1. 混合堆概念的提出氘、氚聚变不仅是一个巨大的能源，而且是一个巨大的中子源。
我们可以利用聚变反应室产生的中子，在聚变反应室外的铀－238、钍－232包层中，生产钚－239或铀－233等核燃料。
这就是所谓聚变裂变混合堆，简称混合堆。
混合堆是一个可供选择的堆型。
铀－235原子核一次裂变，可以放出2.43个中子；氘、氚一次聚变，只放出1个中子，比铀－235一次裂变放出的中子少；但由于铀－235吸收中子后有一部分会变成铀－236而不裂变，所以铀－235每次平均要吸收1.175个中子才能裂变，要求铀－235质量大，如果按相同质量比较，氘、氚聚变放出的中子数，是铀－235裂变释放的净中子数的43倍以上。
氘、氚聚变时释放的能量，80%变成聚变时放出的中子的动能。
因而氘、氚聚变不仅释放的中子数量多，而且释放的中子能量高。
铀－235裂变放出的中子能量大多为100～200万电子伏，而氘、氚聚变放出的中子，能量高达140O万电子伏。
然而要直接利用高能量中子的这部分动能是很困难的。
可是从生产核燃料的角度来看，一个聚变中子的作用比一个裂变中子的作用大得多。
这是因为高能聚变中子轰击到铀－238及钍－232靶上，可以产生一系列串级的引起中子和核燃料增殖的核过程，释放出比聚变中子能量稍低但数量增加几倍的次级中子。
这些次级中子，除了一部分仍可使铀－238及钍－232裂变继续放出中子外，还有一部分可以使铀－238及钍－232变成钚－239及铀－233等优质核燃料。
在适当厚的天然铀靶内，一个聚变中子可以生产出22倍于它所携带的能量，并获得5个钚－239原子核。
由于这个原因，如果在聚变反应室外放置一层足够厚的由天然铀、铀－238或钍－232组成的再生区，聚变产生的中子，就可以在再生区生产钚－239及铀－233，并释放出裂变能。
这个再生区又叫混合堆的裂变包层。
当然聚变中子也可以使再生区中的锂变成氚，补充氚的消耗。
根据这种考虑，早在1953年，美国劳伦斯·利弗莫尔实验室的鲍威尔，就提出了建立聚变－裂变混合堆的建议。
中国核聚变堆全面升级力争世界第一个实现发电
中国核聚变堆全面升级力争世界第一个实现发电核聚变是一种利用两个原子核的碰撞融合成一个更大的原子核释放能量的过程。
与核裂变相比，核聚变具有几个显著的优点，包括可持续性、安全性和高效性。
目前，全球范围内许多国家都在开展核聚变能源研究，但实现核聚变发电仍是一个挑战。
然而，中国一直致力于核聚变领域的研发，并计划全面升级核聚变堆，力争成为世界上第一个实现核聚变发电的国家。
中国的核聚变研究始于20世纪60年代末。
随着时间的推移，中国逐渐在聚变领域积累了丰富的经验和技术。
2024年，中国成功建成了中国聚变工程试验堆（EAST）。
EAST是一种托卡马克式聚变堆，能够维持高能量等离子体超过100秒。
这个成就使中国成为全球第三个成功建设和运行托卡马克聚变装置的国家。
随后，中国提出了实施一个核聚变研发工程的计划，目标是在2030年前建造一座能够实现恒星能量输出的核聚变堆。
为了实现这一目标，中国核聚变研究及应用专家委员会（CPFR）提出了全面升级现有核聚变堆的计划。
升级后的堆将被称为中国聚变工程试验堆样机（CFETR-PM）。
该计划于2024年开始，预计将于2024年完成建设。
CFETR-PM将是一个大型的托卡马克聚变堆，设计能够维持高能量等离子体约1000秒以上。
与EAST相比，CFETR-PM将具有更高的温度和压力，并能够实现稳定的平衡状态。
CFETR-PM的升级包括四个方面的内容：首先，核聚变燃料的探索。
中国将继续深入研究并选择最适合核聚变堆的燃料。
其次，超导磁体技术的升级。
超导磁体是维持高能量等离子体所需的强磁场的关键部件。
通过升级超导磁体技术，可以提高磁场强度和稳定性。
第三，使用先进的材料和结构设计。
CFETR-PM将采用先进的材料和结构设计，以保证堆的安全性和稳定性。
最后，CFETR-PM将配备先进的控制和诊断系统，以实时监测和调整堆的运行状态。
总之，中国核聚变堆的全面升级计划是中国在核聚变领域取得重大突破的重要举措。
聚变能利用与国际热核试验堆
问题：两端仍有泄漏（速度空间逸出锥）
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磁镜装置的约束与逃逸
• 磁镜：中间弱、两端强的磁场位形，可使带电粒 子在两极间来回反射
• 问题： • 速度空间逸出锥 • 等离子体难以建立 • 苏联огра失败
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简单环形装置不能稳定约束
• 磁力线弯曲产生“漂
移”
• 电流线圈产生的环形
• 氚天然不存在, 靠锂生产：
n +6Li → T + 4He + 4.8 MeV
地球上锂丰富，我国可采的锂数百万吨；聚变产 生1万亿度电只需100吨锂；
• 氦-3：月球上丰富，50-500万吨，用月球车运回
1000吨，可发电万亿度, 现在谈氦-3利用是过早了!
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巨大太阳能的来源
• 太阳核聚变：
放电，使真空室形成环形磁场。
同时用变压器放电，使真空室中气体（聚变燃料） 电离并形成电流，强等离子体电流产生极向磁场,与 环形磁场结合，形成旋转变换磁场，约束高温等离 子体，这种装置称“托卡马克装置”。
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聚变能利用原理
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聚变反应的困难
• 两个核都带正电，引起聚变反应必须克服库仑斥力。 设想的方法有三种：
1.用加速器加速氘核，再使其轰击含氘的固体靶，引 起核聚变很容易,但在能量上得不偿失！
2.用两束高能氘核对撞实现核聚变, 两束氘核几乎是 完全透明，几率太低！
3.受控热核反应 ：将一团氘核约束在一起，并加热使 其到达足够高的温度，形成完全电离气体，称“等 离子体”，通过核间频繁地碰撞，依靠氘核自身热 运动的动能，使两核相互接近，可望发生核聚变， 称受控热核反应。
聚变堆
核聚变点火的基本概念核聚变三重积，或者叫：D-T反应下的核聚变三重积。
也就是使用D-T反应，核聚变的基本条件。
大约是0.6×10^21。
举个例子：三个条件：温度10KeV，等离子密度10^20，那么能量约束时间就要0.6秒。
三重积是三个指标，理论上如果你温度提高10倍，或者等离子密度提高10倍，那么你的时间就可以减少到60毫秒，这样你可以点火。
但这60毫秒是没用的，因为这仅仅是点火门槛，反应后的能量输出一下子就让你的反应停止了，所以实用的三重积应当在3×10^21才会够用。
能量约束时间是指在等离子体总能量不变的情况下，电磁容器约束它的时间。
也就是等离子体总温度和密度的乘积不下降的前提下的约束时间。
而EAST所提到的长脉冲放电约束时间，则不考虑等离子体温度下降带来的失能。
这样的话核聚变三重积就无法达到，也就无法点火。
前面那位和物理博士所讲，要想提高三重积，达到点火条件，把托卡马克个子做大是必需的，于是你看看JET和JT-60的个头就一个赛一个的大。
毛子不解体，貌似还规划了5米半径的东东。
但是，等离子体大了，三重积上去了，同时用于约束磁流体的电能消耗几何级数增加，毕竟欧姆定律不可以违反。
要想为人类所用，必须有一个好看的能量输入输出比，于是就有了Q 值的概念。
Q大于1才表示有正能量输出，Q值到了10以上才证明可能实用（你发电还有转换效率不是）？怎么解决这个问题，那就超导把，先解决欧姆定律再说，这就是超托卡马克，也就是所谓的全超导托卡马克诞生的原因。
托卡马克身上线圈有两种，一种是垂直于等离子体的，一种是水平的。
早期在一些小型的托卡马克上，把某些线圈改成超导做实验。
之后觉得差不多了，我们再建设一个从设计之初就考虑把垂直和水平线圈做成超导的装置。
这就是所谓全超导托卡马克。
上面有网友贴出了环流2A的照片，常规托卡马克基本上张这个德行，而超托卡马克，比如EAST，都长得像个保温杯，这就是容纳超导线圈的巨型杜瓦瓶。
聚变堆结构材料力学性能及缺陷效应
聚变堆结构材料力学性能及缺陷效应316LN奥氏体不锈钢以其优异的热学性能,强度、韧性及塑性力学性能而成为国际热核聚变实验反应堆(ITER)第一壁候选结构材料。
作为反应堆器壁材料,复杂的中子辐射环境对反应堆器壁材料的辐照损伤会削弱其力学以及抗辐照损伤性能。
而器壁材料力学性能以及抗辐照能力的下降给核反应堆的安全性问题提出严峻的挑战。
基于此,有必要研究以316LN奥氏体不锈钢为代表性的反应堆第一壁材料的基本力学性质和辐照效应。
316LN奥氏体不锈钢成份以及结构的多样性使得原子尺度的研究较为复杂。
本论文结合实验结果,通过分析实验数据而提出随机固溶思想来描述该体系。
基于原子尺度的第一性原理模拟,通过分析诸如弹性常数、理想强度、柯西压力、体模量、剪切模量以及两者的比值等表征力学性能的物理量,以及模拟真实的核辐照环境下损伤带来的空位及间隙缺陷效应,发现316LN不锈钢较之纯铁具有很高的展性。
核辐照环境下产生的不同缺陷类型对力学性能产生不同的影响：空位的存在增加316LN不锈钢的展性；而间隙(Fe、H、He)的引入会提高其杨氏模量。
低活化的马氏体/铁素体不锈钢是以铁磁体心立方Fe-Cr(7-12 wt.% Cr)二元合金为基础并且含有诸如W,V,Si,C等微量元素。
此类低活化钢在辐照环境下具有优良的抗辐照肿胀和抗辐照脆性以及很好的热力学性质亦成为核聚变器壁结构候选材料。
大量的实验以及部分理论研究表明,不锈钢当中Cr元素含量能调节其力学性能以及抗辐照效应。
基于反应堆的安全性考虑以及Cr含量对器壁材料力学性能的重要意义,本论文采用第一性原理研究Fe-Cr合金体系的力学性能随Cr含量增加的变化趋势。
采用类似于316LN不锈钢的随机固溶思想研究Fe-Cr(0≤x≤0.156)合金体系。
在不同Cr含量的条件下,计算表征其晶体结构信息的晶格常数以及描述力学性能的弹性常数。
研究表明,Cr的引入导致Fe-Cr合金体系的晶格常数较之于纯体心立方铁固体有所膨胀；相应的杨氏模量和剪切模量存在着非线性增加的趋势。
聚变堆原理及其应用
聚变堆原理及其应用一、聚变堆原理聚变堆其实就是利用核聚变反应来产生能量的一种装置啦。
核聚变呢，简单来说就是把两个轻原子核，像氢的同位素氘和氚，让它们在超高温和超高压的环境下合并成一个新的原子核。
这个过程中会有质量亏损，根据爱因斯坦的质能方程 E = mc²，这亏损的质量就转化成了巨大的能量。
你可以想象一下，这就像是把两个小的东西硬挤在一起变成一个大东西，这个过程中就会释放出超级多的能量呢。
那要怎么实现这个超高温和超高压的环境呢？科学家们可是想了很多办法哦。
比如说用强大的磁场来约束等离子体，因为核聚变反应中的这些原子核都是以等离子体的形式存在的。
这个磁场就像一个超级厉害的笼子，把等离子体困在里面，不让它们乱跑，这样就能让核聚变反应持续进行啦。
二、聚变堆的应用1. 能源方面聚变能可是一种超级理想的能源啊。
首先，它的燃料非常丰富，氘在海水中大量存在，而氚可以通过锂来制取，地球上锂的储量也不少呢。
其次，聚变反应产生的能量非常巨大，相比现在我们用的化石燃料，那简直就是小巫见大巫。
而且聚变能是一种清洁能源，不会像化石燃料那样产生大量的温室气体和污染物，对于应对全球气候变化可是有着巨大的意义呢。
如果聚变堆能够大规模应用，那我们以后就不用担心能源不够用的问题啦，家里的电器可以随便开，汽车也都可以变成电动的，而且不用担心充电的地方不够，因为能源会源源不断地被聚变堆生产出来。
2. 科学研究方面聚变堆还能帮助科学家们研究一些极端物理条件下的现象。
在聚变堆内部那种超高温、超高压的环境下，物质的状态和性质会发生很多奇特的变化。
科学家们可以通过研究这些变化，进一步了解物质的本质，探索宇宙中一些天体内部的物理过程，比如说恒星内部的核聚变反应。
这就像是我们在地球上创造了一个小小的恒星环境，是不是超级酷呢？3. 工业方面在工业上，聚变堆产生的高温等离子体可以用来进行一些特殊的材料处理。
比如说对一些高熔点、高强度的材料进行加工和改性，让这些材料变得更加适合用于航空航天、高端制造等领域。
核聚变反应堆的技术路线
核聚变反应堆的技术路线在探索未来能源的道路上，核聚变反应堆无疑是最具潜力的选项之一。
核聚变，简单来说，就是将轻原子核融合在一起，释放出巨大的能量。
这个过程与太阳内部的能源产生机制相似，因此也被称为“人造太阳”。
实现核聚变并非易事，需要攻克诸多技术难题，而不同的技术路线则为实现这一目标提供了多种可能。
目前，主要的核聚变反应堆技术路线包括磁约束核聚变和惯性约束核聚变。
磁约束核聚变是当前研究最为广泛和深入的技术路线之一。
其核心思想是利用强大的磁场来约束高温等离子体，使其在一个特定的空间内发生核聚变反应。
其中，最具代表性的装置是托卡马克装置。
托卡马克装置看起来就像是一个巨大的环形“甜甜圈”。
在这个装置内部，通过强大的电流产生磁场，将高温、高密度的等离子体约束在环形的真空室内。
等离子体的温度可以高达数千万摄氏度，在这样的高温下，原子核才有足够的能量克服彼此之间的静电排斥，从而发生融合。
为了实现有效的磁约束，科学家们需要精确控制磁场的形状和强度。
这涉及到复杂的电磁场理论和先进的超导技术。
超导材料能够在低温下零电阻地传导电流，从而产生强大而稳定的磁场。
但超导材料的制备和应用也面临着诸多挑战，比如如何提高超导材料的性能和稳定性，如何在大型装置中实现高效的冷却等。
此外，等离子体的不稳定性也是磁约束核聚变面临的一个重要问题。
等离子体在约束过程中可能会出现各种不稳定现象，导致能量损失和约束失效。
科学家们需要通过深入的理论研究和实验探索，找到有效的控制方法来抑制这些不稳定性。
惯性约束核聚变则是另一种有前途的技术路线。
它的基本原理是利用高功率的激光或离子束在极短的时间内照射核聚变燃料靶丸，使其表面迅速蒸发并产生反冲压力，从而将燃料压缩到极高的密度和温度，引发核聚变反应。
在惯性约束核聚变中，关键技术之一是高功率激光系统。
这些激光系统需要在极短的时间内输出极高的能量，并且具有极高的光束质量和聚焦精度。
目前，世界上一些大型的惯性约束核聚变实验装置，如美国的国家点火装置（NIF），已经能够实现非常强大的激光输出。
聚变反应堆的物理原理与实现技术
聚变反应堆的物理原理与实现技术能源问题一直是人类发展的重要议题，人们长期以来一直在寻找替代传统能源的方法。
而聚变反应堆作为一种潜在的清洁、高效的能源来源，备受关注。
本文将介绍聚变反应堆的物理原理和实现技术。
1. 聚变反应堆的基本原理聚变反应是指两个轻核聚合成一个重核的过程，释放出巨大的能量。
这种过程是太阳和恒星运转的原动力，也是地球上自然界中不断发生的现象。
而聚变反应堆则通过人工的手段来实现控制和利用这种聚变能。
聚变反应堆的基本原理是在高温高压等条件下，将轻元素如氚和氘融合成氦等重元素。
2. 聚变反应堆的实现技术实现聚变反应的关键在于控制、维持高温高压等条件，并保持等离子体稳定。
目前，主要有两种技术路径用于实现聚变反应：磁约束聚变和惯性约束聚变。
2.1 磁约束聚变磁约束聚变主要是利用磁场控制等离子体使其保持稳定状态。
这种技术最典型的代表是托卡马克型磁约束聚变装置。
托卡马克装置利用扭转磁场和外加加热器来控制和维持等离子体的稳定，以实现聚变反应。
其中，最有名的是国际热核聚变实验反应堆（ITER），该项目汇集了世界各国科学家的智慧和努力，旨在实现可控核聚变并产生长时间的高功率聚变等离子体。
2.2 惯性约束聚变惯性约束聚变则是利用高能粒子束或激光束瞬间加热等离子体，产生极高的温度和压力，从而实现聚变反应。
这种技术需要极高的能量和强大的激光装置，目前尚处于实验阶段。
惯性约束聚变的优势在于可以实现快速、高功率的聚变反应，但面临的挑战也很大，如粒子束或激光束的调控、等离子体动态过程的控制等。
3. 聚变反应堆的优势和挑战与传统核裂变反应堆相比，聚变反应堆具有许多优势。
首先，燃料资源丰富，氘和氚是地球上最丰富的资源之一，聚变反应堆可以可持续地利用这些燃料。
其次，聚变反应过程不产生高放射性废物，减少了环境和安全上的风险。
此外，聚变反应堆的功率密度高，能够产生巨大的能量输出。
然而，实现可控核聚变还面临着许多挑战。
首先，高温高压等条件使得材料和设备的选择变得更为困难，对材料强度和耐受性提出了更高的要求。
聚变堆芯裂变包层大亚湾u pu衰变
聚变堆芯裂变包层大亚湾u pu衰变聚变堆芯是由聚变燃料材料（如氚）组成的核反应堆的核心，除了聚变反应的基本要素，它还包含裂变包层、大亚湾上的UU衰变以及其他关键生物技术。
学术意义非凡，因为它可以为热核反应（聚变反应）提供潜在快照，为堆聚变会装配外源和热核用途提供能量等等。
聚变堆芯的裂变包层包括原子芯和部分软环中的原子控制元件，以及燃料包层混制（FCP）。
原子核由核燃料粒子和原子控制元件（如Lattice Network、Motorized Control Rods、Blade Network和Pin Network）组成。
原子核模块的核物理性质主要取决于其结构，以及原子核内的燃料粒子和控制元件的组合状态。
燃料包层混制是指在燃料片层中添加汞、锆或其他元素，以改变原子核结构，增加原子核模块的热弹性。
燃料包层混制通常包括金属和金属碳氢化物（如合金、表面涂层和部分热解沥青），以及包含各种元素的金属氧化物（如氧化锰、铝、草酸钙、钡和钨）和元素物理氧化物（如氧化钒）等。
大亚湾上的UU衰变利用锆的能量，而锆的能量一般来源于放射性裂变产生的低热量辐射。
锆是氚的重要副产品，它是聚变堆芯中最重要的反应裂变热量的来源。
从热物理学的角度来看，UU衰变使用的锆的质量略大于聚变堆芯中同量氚产生的热量。
和聚变反应一样，UU衰变也不存在放射性废料问题，且可以长时间连续运行，不需要放射性废料处理问题。
UU衰变不但可以节约资源，而且还可提高聚变效率，因此是安全可靠的节能措施。
从上面可以看出，聚变堆芯的裂变包层、UU衰变以及FCP等技术对聚变能源的发展具有重大意义，它不仅提高了聚变效率，而且可以减少资源和环境污染，因此被广泛用于各种热核反应方面的应用。
深入研究聚变堆芯的裂变包层、UU衰变及其他关键生物技术，不仅有助于聚变能源方面的技术进步，而且也将有助于开发多种利用和应用衰变能源的热核技术。
聚变堆材料(部分示意,仅供参考)
1、核聚变反应堆所用的材料主要包括：A 热核材料；B 第一壁材料；C 高热流部件材料；D 氚增殖材料2、核聚变堆设计和工况条件A 第一壁环境条件，第一壁是聚变堆中离等离子体最近的部件，应具有抗中子辐照损伤能力，对氢脆和氦脆(指材料中掺入氢气、氦气，材料会变脆，相应性能降低)不敏感，与冷却介质和包层材料相容性好。
B 真空壁材料的设计限值，包括使用温度、热导率、热膨胀系数、强度、弹性模量等上限要求。
C 比起裂变反应堆，聚变反应堆具有特有的材料工艺问题：超导磁体及低温技术，强磁场下导电液体的泵送技术，14MeV中子的辐照损伤、氦离子轰击和溅射起泡现象等。
3、第一壁材料（1）奥氏体（可以说是铁的同位素钢中性能最好的一种，应用范围最广，但也不绝对）不锈钢。
优点：该材料具有良好的加工、焊接性能，与氦冷却剂和陶瓷增殖材料相容性好；缺点：但屈服强度较低，抗辐照肿胀性较差。
（2）铁素体和马氏体不锈钢优点：与奥氏体不锈钢相比，抗辐照肿胀性好，具有更高的热应力因子和更好的液态金属腐蚀行为，与候选冷却剂及氚增殖剂的化学相容性好；缺点：但对热机械处理十分敏感，退火（钢材料性能改善的手段之一，退火温度由相图决定。
简单地讲，就是将钢的温度加热到某一温度，使晶格发生变化，以达到某种性能，再在这一新材料的基础上用某种手段降温至室温，降温速度不同，材料变形不同）温度和时间的变化对其性能影响较大，且焊接工艺要求较为苛刻。
（3）钒合金优点：具有优良的高温力学性能、抗腐蚀肿胀性能和低中子活化特性，与高纯氦相容性好，一般需要在合金表面覆镀一层绝缘性膜；缺点：不过存在氢脆现象，且钒合金的工业生产经验和性能数据较为贫乏，目前通常在惰性保护气体或真空环境中进行该合金的焊接工作。
（4）SiC/SiC复合材料优点：具有优良的高温性能。
在氦冷却介质系统中可工作到800摄氏度，可大大提高能源系统的热效率。
它比金属类材料在安全、维护和放射性处理方面具有更大的优势。
聚变能利用与国际热核试验堆49页PPT
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71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
聚变能利用与国际热核试验堆
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿
新型核聚变反应堆
新型核聚变反应堆核聚变反应可以释放大量能量，为人们提供服务。
怎样实现核聚变，使其安全平稳的进行，缓慢地释放能量为人们服务，现已成为科学家非常关心的问题。
要产生核聚变，必须在非常高的温度环境下，这样当四个氢原子在高温下靠得很近时，四个质子会撞到一起时，其中两个会发生衰变，释放出两个反中微子和正电子，变成中子。
这两个正电子会与原子核外电子相互湮灭，形成两个光子；剩下的一共有两个中子、两个质子和两个电子，恰好形成一个氦原子。
例如太阳是通过质子的衰变而发出光芒。
比原子弹威力更大的核武器—氢弹，就是利用核聚变原理制造的。
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（dāo）、氚（chuān）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。
但是人们还不能进行受控核聚变，这主要是因为进行核聚变需要的条件非常苛刻。
发生核聚变需要在1亿度的高温下才能进行，因此又叫热核反应。
可以想象，没有什么材料能经受得起1亿度的高温。
此外还有许多难以想象的困难需要去克服。
尽管存在着许多困难，人们经过不断研究已取得了可喜的进展。
科学家们设计了许多巧妙的方法，如用强大的磁场来约束反应，用强大的激光来加热原子等。
可以预计，人们最终将掌握控制核聚变的方法，让核聚变为人类服务。
这里介绍一种实现核聚变的方法，就是利用涡流电流加热金属的原理，来加热氘等热核材料。
大家都知道当金属中有涡流电流流过时，金属就会被加热甚至融化。
把氘、氢和μ介子（催化聚变）放在一个密闭的钢球中，在钢球中加上导线，在导线上通过交变电流，那么线圈就产生交变磁场。
由于线圈中间的导体在圆周方向是可以等效成一圈圈的闭合电路，闭合电路中的磁通量在不断发生改变，所以在导体的圆周方向会产生感应电动势和感应电流，电流的方向沿导体的圆周方向转圈，就像一圈圈的漩涡，所以这种在整块导体内部发生电磁感应而产生感应电流的现象称为涡流现象。
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（2）劳逊（Lawson)判据（现实）
聚变反应所产生的能量回收＝维持热核工况
所须能量。（考虑损失）。
当T＝10 keV 时， T • • ＝1.24×1021 (keV m-3.s)
D-D反应： 当T＝50 keV， T • • ＝2.5×1023(keV m-3.s)
（3）点火条件（运行）
真空室对等离子体提供高真空边界，并防止放射性逸出。 室内所有设备有水冷系统冷却 真空室设置有包层和偏滤器及port plugs等设备的支撑结构
Plasma
维持聚变条件： D-T 等离子体有足够的高温克服原子核间的排斥力（亿度） 保持高密度，并约束足够长时间来克服能量损失 ITER 条件：T • •=3x1021 m-3.keV.s.
60年代末各国开始Tokamak研究热潮，建成九个装置。美（4）， 俄,法,日,英,德(1×5）。3kev温度，10 毫秒约束。发现磁场振 荡现象。
70年代第二代Tokamak装置建成。美,俄,日,德(1×4）。7 kev温 度，50 毫秒约束。聚变堆概念开始设计。
80年代从研究聚变功率可获得条件移向经济上有利的聚变堆优化 问题。Tokamak TFTR (美国普林斯顿）,JET（日本京都）,3.7MA 等离子体电流，持续几秒。 2×1020m-3.s.keV三重乘积。离点火只 差20倍。
第八章 ：聚变反应堆
一、聚变反应原理 二、聚变资源及特点 三、受控热核反应 四、聚变研究历史 五、聚变装置 六、ITER Project
一、聚变反应原理
1、聚变原理 具有中等数量核子数的原
子核，其每个核子的平均质 量较小。当轻核聚变时所产 生的中间核的核子平均质量 变小，其质量亏损转变为动 能。
2、聚变反应
magnetic field coils ）
轴向磁场约束线圈PFC （ Superconducting poloidal
magnetic field coils）
冷却系统 等离子体工程
等离子体工程
作用：维持聚变反应（约束、温度、密度） ➢ 真空系统 ➢ 等离子体加热系统 ➢ 电流驱动系统 ➢ 聚变材料供应系统 ➢ 余灰排出 ➢ 等离子体测量、控制
目前世界最大托卡马克实验装置（JET)
（2）惯性约束
惯性约束核聚变是使用激光或粒子束轰击固体 D－T靶 丸（半径为r ），使它发生内暴，并压缩到高密度状态， 达到所须聚变温度时，发生聚变。
惯性约束允许等离子体膨胀，但由于惯性，约束可维持 一段暂短的时间。
点火判据：质量密度×半径＝ r D－T反应，T＝15keV，则， r＝3g /cm2 =0.2g /cm3,r=15 cm, Q=4.8*1012J。
ITER 的重要性
ITER用的TOKAMAK比世界现有的大（线性尺度大2 倍），且聚变性能大幅提高，是对TOKAMAK技术 的重大推进，也对堆的物理及技术设计提出严肃 挑战 第一个电站热功率水平的聚变装置 提供聚变科学与技术发展的主要方向及基础 是示范堆研究计划的关键一步
“Tokamak” – 产生＋约 束 反应条件
3、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。
二、聚变资源及特点
1、资源丰富
氘是氢的一种同位素，天然氢中含氘 0.0153%, 氘在水中存在。1L 水中含氘 相当于300L 汽油的能量。
非Tokamak装置：访星器，箍缩，磁境试验水平稳步提高。
90年代 Tokamak 研究令人鼓舞。JET上成功注氚。国家 合作热核试验堆ITER启动。目前有十七个国家，35个 Tokamak 装置在运行。中国有3个。
91年JET达到：7MA,1.5秒,9×1020 m-3.s.keV。氚氘比 为11％，聚变输出功率1.7MW,
ITER由俄、日、美、欧四方共同承建。美国曾于98年退出，2003 年2月美国宣布重新加入ITER，中国也同时宣布作为全权独立成 员加入ITER计划谈判。
ITER 计划
自1988年启动以来，不仅完成了物理和全部工程设计，而且还完 成了许多关键部件的预研。预计工程建设8-10 年完成。
参与ITER合作的六方（欧盟、俄罗斯、中国、日本、美国和韩国） 于2005年6月28日在莫斯科一致同意将ITER试验反应堆设在法国 南部的Cadarache。
2、安全能源
热核等离子条件产生困难，但破坏容易， 任何事故都能使等离子体迅速冷却，聚 变堆迅速停堆。 堆内温度高（1－2）×108K，但能量低， 小于1GJ, 事故释放能量小。 聚变堆爆炸的危险比常规核电站低。
3、清洁能源
无碳氧化物、氮氧化物排放。 无长寿命放射性产物。 高能中子会使结构材料产生长寿命放射 性废物（半衰期为100年左右），但可 研制新的结构材料。不是本身问题。 氚具有放射性，半衰期为12.3年。氘没 有放射性。
Magnet Systems
超导线圈约束、整 型、控制等离子体 ITER has 18 TFC, 6 PFC, a Central Solenoid Coil(CSC), a Correction Coils 所有线圈结合成一 个组件，以简化电 磁负荷的平衡 线圈由超临界氦冷 却， by cryogenic circulation pumps
现代激光器能量105 J量级。热转化率5％。
如何解决：增加密度3个、能量要求降低9个量级。
四、聚变研究
1、历史溯源 1919年 英国物理学家Aston 发现轻核的聚变可释放能
量；Rutherford发现轻核以高能碰撞可发生核反应。 十几年后，理论分析提出太阳内氢原子在几千万度高
温下聚变成氦的假设。 二战期间美、苏研究聚变：
等离子体体积要足够大， 保证满足高能工作条件.
超导线圈 －约束＋控制 (plasma) 。
内包层吸收反应热，保持 等离子纯度, 放置试验件 for DEMO blanket development.
生物屏保护 线圈和真空 容器
混凝土结构剂量屏 所有部件和系统运行前需 试验
Vacuum Vessel
美：费米(Fermi),泰勒（Teller);英：汤姆逊 （Thomson)等提出箍缩效应约束等离子体。
2、保密时期
二战后，氢弹爆炸。得到鼓舞。 聚变军、民应用广泛。美、英，苏开始大量投入。 美国早期聚变计划－雪伍德（Sherword）工程。磁约 束聚变途径：仿星器，磁境和箍缩。 研究单位：罗斯阿拉姆斯LAB.，劳伦斯LAB.。 苏联库尔恰托夫研究所提出托卡马克Tokamak（环形磁 室），性能领先。
实际：T 10 keV, = 108 K
高温：正离子＋负离子＝等离子体（Plasma）
1、等离子燃烧条件（D-T)
三重积分＝温度×密度×约束时间＝ T • •
（1）能量得失相当条件（基本）： 等离子体中聚变反应产生的能量＝注入等离 子体的能量。当T＝10 keV 时， T • • ＝6.2×1020 (keV m-3.s)
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）
核聚变产生并约束在等离子体中的高能 粒子所携 带的能量等于由于辐射、传导及对流从等离子体中 损失的能量。 满足条件，则反应自持。当T＝10 keV 时，
T • • ＝3.1×1021 (keV m-3.s)
2、等离子燃烧条件（实际)
假设：等离子体温度分布均匀；没有杂质。 实际：等离子体中部温度高，边缘温度低。 杂质来源：一是等离子体与第一壁面相互作用，使壁
海洋3m厚的水层含氘可供世界5000万年 能源需要。取之不尽用之不竭。
可从水中提起氘。
裂变、聚变资源
核材料 铀-235 铀-238，钍-232 氘（D） Li（矿石中）（T） Li（海水中）（T）
等效 TW. a 250 >104 2×1011 6×104 6×108 (3000万年，3m）
4、用途广泛
发电 产生高能中子，是裂变堆的4倍。同 位素生产：氚，钴60；裂变材料（铀
238钚239，钍232 铀233）。
处理裂变电站长寿命废物。 分解水生产氢（合成燃料）；稀有金 属。 宇宙空间航行器推动。
三、受控热核反应
受控热核聚变条件： 高温＋约束
原子核带正电，互相排斥，不容易达到足以发 生核反应的距离（10-15 m) 提高核子速度，克服电荷排斥力，核子理论能 量为 290 keV。
输出输入功率比为2.8。美国TFTR 10.7MW。
97年 JET 16.1MW。98年JT－60U D－D 成功。
ITER之后提出先进堆SSTR，ARIES-I,ARIES-II等概念。 着眼稳定运行，缩小尺寸，提高聚变功率密度，降低成 本。
五、聚变装置
聚变装置－基本组成
环形堆芯等离子体 Plasma 包层Blanket (多模块，VV内） 偏滤器Divertor (多模块，VV内） 真空室 Vacuum Vessel 环向磁场约束线圈TFC（ Superconducting toroidal
聚变堆计划发展步骤
六、ITER 计划
ITER －The International Thermonuclear Experimental Reactor
ITER ( means "the way" in Latin)