人造太阳-可控核聚变-原理
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核裂变和核聚变反应可使总质量减小释放出大量能量
裂变能 Fission
ASIPP
裂变与聚变的比较
优势 (Advantages)
清洁 无CO2 无直接污染
劣势 (Disadvantages)
废物处理困难 潜在的安全问题 资源有限
聚变能 Fusion
清洁
无CO2 固有安全性 燃料无限，可获得性好
关键技术有待进一步研发 特别是低活化材料的研发
装置主支撑 Support Platform
总重 (Weight)
总高 (Height)
1000 s-CW DN, SN 420 ton 10 m
直径 (Diameter)
8m
22
ASIPP
EAST
EAST装置主要部件 (Main Components of the EAST Machine)
超导极向场磁体 PF magnet system
达到 1.25；
（但只能维持几秒时间）
ASIPP
HT-6B&HT-6M
中科院等离子体所磁约束核聚变的发展
• 聚变能是中国战略能源的重要组成。中国可控核聚变研究以聚变 能源作为自己的主要目标，并将研究重点集中于最有希望的托卡 马克途径。
HT-6B Tokamak 1982-1992
HT-6M Tokamak 1985-2002
Torus Cryopump
28
ASIPP
ITER
China, US, EU, Russia, Japan, Korea and India began the
cooperation on the construction of International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). 中国与美国、欧盟、俄罗斯、日 本、韩国和印度开始合作建造“国际热核实验堆(ITER) ”。
14
ASIPP
Key problems to utilize fusion energy peacefully 和平利用聚变能尚待解决的关键问题
• Two key problems left:
-- Controllability: Control the fusion reaction
process as we like
3
ASIPP The fission energy has been used in many countries 裂变能技术已经成熟，并被广泛用于核电站
Energy use for generating electricity 用于发电的各种能源
4
ASIPP The nuclear energy will be important part for future energy 核能是未来新能源的重要组成部分
托卡马克：最有希望实现聚变能和平利用的途径
16
托卡马克的基本结构
17
TOKAMAK (Russian for ‘Toroidal Magnetic Chamber’)
托卡马克上开发核聚A变S能IP科P学可行性已得到证实!
• 最高温度达到 2-4 亿度； • 最高聚变输出功率超过
16 兆瓦； • 聚变输出功率/输入功率,已
ASIPP
可控核聚变及其重要性 (Fusion and its Importance)
世界能源消耗将持续增长 (The energy use of mankind will increase further)
原因是 ：
• 人口的增长
• 工业化的进步 • 生活水平的不断
提高
什么是未来可替代能源?
1
ASIPP
21
wk.baidu.com
ASIPP
EAST
EAST超导托卡马克装置主机 EAST Superconducting Tokamak Machine
主要参数 (Main Parameters)
外真空室 Cryostat
超导中心螺管 Central Solenoid
超导极向场大线圈 Poloidal Ciols
超导纵场磁体 Toroidal Coils
化石能源的问题 (The problems of fossil energy)
现有的宝贵化石资源有限 (World Fossil Reserved)
化石能源的污染严重 (Grievous Pollution)
2
ASIPP
我国化石能源资源严重短缺
来源：上海综合经济简报，2005.02期
资源种类 煤炭
项目的科学及工程目标:
• 开展先进稳态运行模式物理问题的研究
• 为未来聚变堆建立全超导托卡马克技术基础
• 项目内容包括 (The project includes)：装置主机、低温系统、电源系统、 测试系统、控制系统、加热及驱动系统 、真空抽充气系统、水冷系统 、 诊断系统 、实验大厅等十几个涉及高技术的系统。
• The longest discharge has reached 400 s. 实现了400秒长时间的放 电。
20
ASIPP
EAST
EAST国家重大科学工程项目
“实验先进超导托卡马克(EAST)”项目由国家发改委批准于 1998年，开工于2000年。2006年第一次获得高温等离子体放 电。2007年通过国家验收。 Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST)
人类可否在地球上实 现太阳上的持续核聚 变反应？
ASIPP
核聚变能
地球上最容易实现的核聚变反应：
D(氘) + T(氚) 4He(氦) + n(中子) n(中子) + 6Li(锂) 4He (氦) + T (氚)
实现上述反应的条件: 温度T大于 一 亿度；
密度n大于 5 ×10 20 m -3
能量约束时间τ大于 1-2 秒
9
ASIPP
10
ASIPP
The sun’s energy is from fusion 太阳能就是通过聚变产生的
• The sun releases huge fusion energy to the universe in steadystate way. May we govern fusion energy on the earth as we like?
Central Solenoid
Outer Intercoil Structure Toroidal Field Coils
Poloidal Field Coils Machine Gravity Supports
Blanket Modules Vacuum Vessel
Cryostat Port Plug (IC Heating) Divertor
-- Sustainability: Make the fusion reaction
存在两大难题：
sustained in steady-state.
-- 可控：按人类的意愿控制核聚变反应的过程 -- 持续：使核聚变反应稳态地一直维持下去
15
ASIPP
Tokamak: The most hopeful approach to realize the fusion energy peacefully
• R=40 cm, a=12.5 cm, 0.8 T • Plasma: 40 kA, 0.3 keV, 40 ms • 100 kW LHCD, 50 kW ECRH
• R=65cm, a=20 cm, pump limiter
• Plasma: 150 kA, 1.2 keV, 100 ms, 1.5 T
24
ASIPP
EAST
2006年9月26日
EAST进行了第一次成功的等离子体放电
25
ASIPP
EAST
2007年1月23日，EAST成功获得聚变堆位形等离子体
ASIPP 长脉冲高温等离子体
EAST
ASIPP
ITER
中国建国以来最大的国际科技合作项目
ITER是一个可产生 50-70 万千瓦聚变功率 的托卡马克热核聚变实验反应堆
(Source: World Energy Council and IIASA, 1998) 万亿度 TWh (Tera-Watter Hour)
至2100年全球电力消耗 World electricity use up to 2100
5
核裂变能源和核A聚S变IP能P 源是理想新能源
Einstein’s famous equation: E = mc2
聚变反应中的高能物 质极易回到低能安全 态，反应自行终止。
Reaction Peak
Deuterium
Tritium
8
ASIPP
Why: Fusion fuel inexhaustible and accessible world wide?
为什么聚变原料无限，并且可获得性好？
• Deuterium is abundant in the ocean and can be used by mankind for more than ten billion years. 氘普遍存在于海水中， 可供人类所用几十至 上百亿年。
1.6-2 0.6-0.8 6 MW
低混杂波驱动 (LHCD)
6 MW
热屏蔽层 Thermal Shields
中性束 (NBI) 电子回旋加热 (ECRH)
4(10) MW 0.5 (2) MW
装置内部支撑
脉冲长度(Pulse length)
Supports inside the Device 位形 (Configuration)
内真空室 Vacuum Vessel
纵场 (Toroidal Field) Bo
3.5 T
等离子体电流 (Plasma Current) IP 1-1.5 MA
大半径 (Major Radius) Ro
1.7 m
小半径 (Minor Radius) a
0.4 m
拉长度 (Elongation) Kx 三角形变 (Triangularity) δ x 离子回旋加热 (ICRH)
τ n T > 1× 10 21 m - 3 kev S
+14.2 Mev
+17.6 Mev
+3.4 Mev
氘氚聚变将为人类提供可持续发展的清洁能源和最丰富的中子源
ASIPP 自然界实现聚变的途径(Three different fusion ways)
核子
磁场
磁约束
电子
燃料丸
强能束
引力约束
惯性约束
超导纵场磁体 TF magnet system
冷屏系统 Thermal shield
超高真空室 Vacuum Vessel
支撑系统 Support system
超高真空外杜瓦 Cryostat vessel 23
ASIPP
EAST
装置主机
Superconducting Tokamak Machine
低温系统 cryogenic and refrigerator system
电源系统 Power supply system
真空抽充气系统 Vacuum pumping and
gas puffing system
诊断系统 Diagnostic system
项目主要内容 The project main tasks
• 0.3MW LHCD, 1MW RF, 0.2MW ECRH
19
ASIPP
HT-7
The HT-7 Superconducting Tokamak 中国第一（世界第四）个超导托卡马克
• At the beginning of 90’s, the HT-7 superconducting tokamak was set up. 90年代初，建设了HT-7超 导托卡马克装置。
7
ASIPP
Why: Fusion energy inherent safe?
为什么聚变能具有固有安全性？
• Reactant of fusion is like the ball on the top of the reaction peak. Any failure of the operation will stop reaction automatically
实验大厅 Experimental Hall
水冷系统
控制系统 Control and data
Water cooling system processing system
加热及驱动系统 Non-inductive current drive and heating system
测试系统 Test Facility System
石油
天然气
（亿吨） （亿吨） （亿立方米）
探明储量 1145
33
11704
开采年限 54~81 15~20
28~58
可开采到 ~2085 ~2025 ~2065
水电装机容量 （亿千瓦）
3.53
38~104
~2110 !!!!
中国的铀资源仅能支持4-5×100万kW核电站。
在未来50－100年内，必须找到替代能源！
裂变能 Fission
ASIPP
裂变与聚变的比较
优势 (Advantages)
清洁 无CO2 无直接污染
劣势 (Disadvantages)
废物处理困难 潜在的安全问题 资源有限
聚变能 Fusion
清洁
无CO2 固有安全性 燃料无限，可获得性好
关键技术有待进一步研发 特别是低活化材料的研发
装置主支撑 Support Platform
总重 (Weight)
总高 (Height)
1000 s-CW DN, SN 420 ton 10 m
直径 (Diameter)
8m
22
ASIPP
EAST
EAST装置主要部件 (Main Components of the EAST Machine)
超导极向场磁体 PF magnet system
达到 1.25；
（但只能维持几秒时间）
ASIPP
HT-6B&HT-6M
中科院等离子体所磁约束核聚变的发展
• 聚变能是中国战略能源的重要组成。中国可控核聚变研究以聚变 能源作为自己的主要目标，并将研究重点集中于最有希望的托卡 马克途径。
HT-6B Tokamak 1982-1992
HT-6M Tokamak 1985-2002
Torus Cryopump
28
ASIPP
ITER
China, US, EU, Russia, Japan, Korea and India began the
cooperation on the construction of International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). 中国与美国、欧盟、俄罗斯、日 本、韩国和印度开始合作建造“国际热核实验堆(ITER) ”。
14
ASIPP
Key problems to utilize fusion energy peacefully 和平利用聚变能尚待解决的关键问题
• Two key problems left:
-- Controllability: Control the fusion reaction
process as we like
3
ASIPP The fission energy has been used in many countries 裂变能技术已经成熟，并被广泛用于核电站
Energy use for generating electricity 用于发电的各种能源
4
ASIPP The nuclear energy will be important part for future energy 核能是未来新能源的重要组成部分
托卡马克：最有希望实现聚变能和平利用的途径
16
托卡马克的基本结构
17
TOKAMAK (Russian for ‘Toroidal Magnetic Chamber’)
托卡马克上开发核聚A变S能IP科P学可行性已得到证实!
• 最高温度达到 2-4 亿度； • 最高聚变输出功率超过
16 兆瓦； • 聚变输出功率/输入功率,已
ASIPP
可控核聚变及其重要性 (Fusion and its Importance)
世界能源消耗将持续增长 (The energy use of mankind will increase further)
原因是 ：
• 人口的增长
• 工业化的进步 • 生活水平的不断
提高
什么是未来可替代能源?
1
ASIPP
21
wk.baidu.com
ASIPP
EAST
EAST超导托卡马克装置主机 EAST Superconducting Tokamak Machine
主要参数 (Main Parameters)
外真空室 Cryostat
超导中心螺管 Central Solenoid
超导极向场大线圈 Poloidal Ciols
超导纵场磁体 Toroidal Coils
化石能源的问题 (The problems of fossil energy)
现有的宝贵化石资源有限 (World Fossil Reserved)
化石能源的污染严重 (Grievous Pollution)
2
ASIPP
我国化石能源资源严重短缺
来源：上海综合经济简报，2005.02期
资源种类 煤炭
项目的科学及工程目标:
• 开展先进稳态运行模式物理问题的研究
• 为未来聚变堆建立全超导托卡马克技术基础
• 项目内容包括 (The project includes)：装置主机、低温系统、电源系统、 测试系统、控制系统、加热及驱动系统 、真空抽充气系统、水冷系统 、 诊断系统 、实验大厅等十几个涉及高技术的系统。
• The longest discharge has reached 400 s. 实现了400秒长时间的放 电。
20
ASIPP
EAST
EAST国家重大科学工程项目
“实验先进超导托卡马克(EAST)”项目由国家发改委批准于 1998年，开工于2000年。2006年第一次获得高温等离子体放 电。2007年通过国家验收。 Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST)
人类可否在地球上实 现太阳上的持续核聚 变反应？
ASIPP
核聚变能
地球上最容易实现的核聚变反应：
D(氘) + T(氚) 4He(氦) + n(中子) n(中子) + 6Li(锂) 4He (氦) + T (氚)
实现上述反应的条件: 温度T大于 一 亿度；
密度n大于 5 ×10 20 m -3
能量约束时间τ大于 1-2 秒
9
ASIPP
10
ASIPP
The sun’s energy is from fusion 太阳能就是通过聚变产生的
• The sun releases huge fusion energy to the universe in steadystate way. May we govern fusion energy on the earth as we like?
Central Solenoid
Outer Intercoil Structure Toroidal Field Coils
Poloidal Field Coils Machine Gravity Supports
Blanket Modules Vacuum Vessel
Cryostat Port Plug (IC Heating) Divertor
-- Sustainability: Make the fusion reaction
存在两大难题：
sustained in steady-state.
-- 可控：按人类的意愿控制核聚变反应的过程 -- 持续：使核聚变反应稳态地一直维持下去
15
ASIPP
Tokamak: The most hopeful approach to realize the fusion energy peacefully
• R=40 cm, a=12.5 cm, 0.8 T • Plasma: 40 kA, 0.3 keV, 40 ms • 100 kW LHCD, 50 kW ECRH
• R=65cm, a=20 cm, pump limiter
• Plasma: 150 kA, 1.2 keV, 100 ms, 1.5 T
24
ASIPP
EAST
2006年9月26日
EAST进行了第一次成功的等离子体放电
25
ASIPP
EAST
2007年1月23日，EAST成功获得聚变堆位形等离子体
ASIPP 长脉冲高温等离子体
EAST
ASIPP
ITER
中国建国以来最大的国际科技合作项目
ITER是一个可产生 50-70 万千瓦聚变功率 的托卡马克热核聚变实验反应堆
(Source: World Energy Council and IIASA, 1998) 万亿度 TWh (Tera-Watter Hour)
至2100年全球电力消耗 World electricity use up to 2100
5
核裂变能源和核A聚S变IP能P 源是理想新能源
Einstein’s famous equation: E = mc2
聚变反应中的高能物 质极易回到低能安全 态，反应自行终止。
Reaction Peak
Deuterium
Tritium
8
ASIPP
Why: Fusion fuel inexhaustible and accessible world wide?
为什么聚变原料无限，并且可获得性好？
• Deuterium is abundant in the ocean and can be used by mankind for more than ten billion years. 氘普遍存在于海水中， 可供人类所用几十至 上百亿年。
1.6-2 0.6-0.8 6 MW
低混杂波驱动 (LHCD)
6 MW
热屏蔽层 Thermal Shields
中性束 (NBI) 电子回旋加热 (ECRH)
4(10) MW 0.5 (2) MW
装置内部支撑
脉冲长度(Pulse length)
Supports inside the Device 位形 (Configuration)
内真空室 Vacuum Vessel
纵场 (Toroidal Field) Bo
3.5 T
等离子体电流 (Plasma Current) IP 1-1.5 MA
大半径 (Major Radius) Ro
1.7 m
小半径 (Minor Radius) a
0.4 m
拉长度 (Elongation) Kx 三角形变 (Triangularity) δ x 离子回旋加热 (ICRH)
τ n T > 1× 10 21 m - 3 kev S
+14.2 Mev
+17.6 Mev
+3.4 Mev
氘氚聚变将为人类提供可持续发展的清洁能源和最丰富的中子源
ASIPP 自然界实现聚变的途径(Three different fusion ways)
核子
磁场
磁约束
电子
燃料丸
强能束
引力约束
惯性约束
超导纵场磁体 TF magnet system
冷屏系统 Thermal shield
超高真空室 Vacuum Vessel
支撑系统 Support system
超高真空外杜瓦 Cryostat vessel 23
ASIPP
EAST
装置主机
Superconducting Tokamak Machine
低温系统 cryogenic and refrigerator system
电源系统 Power supply system
真空抽充气系统 Vacuum pumping and
gas puffing system
诊断系统 Diagnostic system
项目主要内容 The project main tasks
• 0.3MW LHCD, 1MW RF, 0.2MW ECRH
19
ASIPP
HT-7
The HT-7 Superconducting Tokamak 中国第一（世界第四）个超导托卡马克
• At the beginning of 90’s, the HT-7 superconducting tokamak was set up. 90年代初，建设了HT-7超 导托卡马克装置。
7
ASIPP
Why: Fusion energy inherent safe?
为什么聚变能具有固有安全性？
• Reactant of fusion is like the ball on the top of the reaction peak. Any failure of the operation will stop reaction automatically
实验大厅 Experimental Hall
水冷系统
控制系统 Control and data
Water cooling system processing system
加热及驱动系统 Non-inductive current drive and heating system
测试系统 Test Facility System
石油
天然气
（亿吨） （亿吨） （亿立方米）
探明储量 1145
33
11704
开采年限 54~81 15~20
28~58
可开采到 ~2085 ~2025 ~2065
水电装机容量 （亿千瓦）
3.53
38~104
~2110 !!!!
中国的铀资源仅能支持4-5×100万kW核电站。
在未来50－100年内，必须找到替代能源！