核聚变PPT课件
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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
6
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。
7
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）。
• 磁约束装置有很多种，其中最有希望的可能是环流 器（环形电流器），又称托卡马克（Tokamak）
16
20世纪50年代 初期，前苏联科 学家塔姆和萨哈 罗夫，提出了实 现磁约束容器的 装置——托卡马 克装置，又称环 流器。核聚变实 现的条件苛刻, 需要：1亿度以上 的高温、长时间 的约束在有限的 空间中、足够高 的密度。聚变装 置（聚变堆）是 多种高新技术的 组合体，聚变研 究水平在一定程 度上代表了一个 国家的综合科技 水平。 在此之后
1
水能
人 类 风能 使 用 的 大 自 然 能 源
潮汐能
太阳能 生2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
对于聚变而言，由于存在一个必要条件：高温。一
般达到几亿度（为何要达到这么高温度），很多
技术上难以实现。（相对于裂变）
3
▪ 人工受控聚变虽然还是一个传说， ▪ 但是在将来这个传说必然成为现实。
束，其中一个方案：在一个直径约为400μm的小球内充
以30-100大气压的氘-氚混合气体，让强劲率激光（目前
达到1012W，争取1014W）均匀地从四面八方照射小球，
使球内氘氚混合体的密度达到液体密度的一千到一万倍，
温度达到108K而引起聚变反应。除激光惯性约束外，还
有电子束等方案，但至今还没有一个成功。
受控核聚变研究的最好成绩，获得了聚变反应堆级的等离子体 参数：峰值离子温度～45keV，电子温度10keV，等离子体密 度～1020m-3，聚变三乘积～1.5×1021keV·s·m-3；等效聚变功 率增益达到1.25。至此，聚变能的科学可行性基本得到论证，
已经奠定有可能考虑建造聚变能实验堆，创造研究大规模核聚 变的条件。
，美国、英国、日本等国的大型托卡马克装置相继建成并投入使用。20世纪90年代，在 欧洲、日本及美国的几个大型托卡马克装置上，聚变能研究取得了突破性进展。
17
▪ 电速陈光度火空文球间锦是的概定等域 离念于 子约适 体当束的--磁电场光位形火空球间和
18
特斯拉拿着两个电光火球正在玩杂 技
19
▪ 依靠不加热方法在地球实现聚变的可行性 （A-2-D）
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12
氢弹——惯性约束聚变
氢弹是一种人工实现的、不可控制的热核反应，也是至
今为止在地球上用人工方法大规模获取聚变能的唯一方
法，但是它必须用裂变方式来点火，因此它实质上是裂
变加聚变的混合体，总能量中裂变能和聚变能大体相等。
氢弹，从本质上讲，是利用惯性力将高温等离子体进行
动力性约束，简称惯性约束。惯性约束还有激光惯性约
13
14
可控聚变反应堆——磁约束
15
• 带电粒子（等离子体）在磁场中受洛伦兹力的作用 而绕着磁力线运动，因而在与磁力线垂直的方向上 就被约束住了。同时，等离子体也被电磁场加热。
• 由于目前的技术水平还不可能使磁场强度超过10T， 因而磁约束的高温等离子体必须非常稀薄。如果说 惯性约束是企图靠增大粒子密度n来达到点火条件， 那么磁约束则是靠增大约束时间τ。
20
Leabharlann Baidu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。
21
1991年11月在欧洲的JET装置上首次成功地进行了D-T放电 实验，1997年,JET创下了输出聚变功率16.1MW、聚变能 21.7MJ的世界最高纪录。美国的TFTR装置于1993年10月也 实现了D-T聚变反应；近几年来，日本的JT-60U装置也取得了
10
核聚变高温的原因
▪ 由于发生聚变，即以结合力做正功产生核能， 必须要使两个等离子体的核克服由于距离的拉 近产生的库仑力做功，这就要求等离子体必须 有足够的动能，才能到达使得核力能够起作用， 从而把它们结合在一起。
▪ 高温因素也是形成等离子体的因素。由于聚变 需要高温等离子体，如果采用以实物质作为容 器，不仅会被熔毁，也会使离子的能量降低， 所以采用以场的形式约束。
2. 使燃料达到极高的密度，比液态氢的密度高一 千倍以上，这样就可以产生类似氢弹中发生的 爆炸，不过爆炸所释放的能量还不到氢弹输出 能量的百万分之一，这个过程不断重复，就能 类似于内燃机产生动力那样输出核能。
8
▪ 自然界以及人工中已存在的聚变中，“克 服高温”的容器
9
核聚变的几种约束方式
1.太阳——引力约束聚变 地球上的万物靠着太阳源源不断的能量维持自 身的发展。在太阳的中心，温度高达1500万 （B-4-a）摄氏度，气压达到3000多亿个大气压， 在这样的高温高压条件下，氢原子核聚变成氦 原子核，并放出大量能量。几十亿年来，太阳 犹如一个巨大的核聚变反应装置，无休止地向 外辐射着能量。太阳拥有极大质量，产生一个 很强的引力场，把高温等离子体(B-4-b)约束。
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。
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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）。
• 磁约束装置有很多种，其中最有希望的可能是环流 器（环形电流器），又称托卡马克（Tokamak）
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20世纪50年代 初期，前苏联科 学家塔姆和萨哈 罗夫，提出了实 现磁约束容器的 装置——托卡马 克装置，又称环 流器。核聚变实 现的条件苛刻, 需要：1亿度以上 的高温、长时间 的约束在有限的 空间中、足够高 的密度。聚变装 置（聚变堆）是 多种高新技术的 组合体，聚变研 究水平在一定程 度上代表了一个 国家的综合科技 水平。 在此之后
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水能
人 类 风能 使 用 的 大 自 然 能 源
潮汐能
太阳能 生2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
对于聚变而言，由于存在一个必要条件：高温。一
般达到几亿度（为何要达到这么高温度），很多
技术上难以实现。（相对于裂变）
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▪ 人工受控聚变虽然还是一个传说， ▪ 但是在将来这个传说必然成为现实。
束，其中一个方案：在一个直径约为400μm的小球内充
以30-100大气压的氘-氚混合气体，让强劲率激光（目前
达到1012W，争取1014W）均匀地从四面八方照射小球，
使球内氘氚混合体的密度达到液体密度的一千到一万倍，
温度达到108K而引起聚变反应。除激光惯性约束外，还
有电子束等方案，但至今还没有一个成功。
受控核聚变研究的最好成绩，获得了聚变反应堆级的等离子体 参数：峰值离子温度～45keV，电子温度10keV，等离子体密 度～1020m-3，聚变三乘积～1.5×1021keV·s·m-3；等效聚变功 率增益达到1.25。至此，聚变能的科学可行性基本得到论证，
已经奠定有可能考虑建造聚变能实验堆，创造研究大规模核聚 变的条件。
，美国、英国、日本等国的大型托卡马克装置相继建成并投入使用。20世纪90年代，在 欧洲、日本及美国的几个大型托卡马克装置上，聚变能研究取得了突破性进展。
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▪ 电速陈光度火空文球间锦是的概定等域 离念于 子约适 体当束的--磁电场光位形火空球间和
18
特斯拉拿着两个电光火球正在玩杂 技
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▪ 依靠不加热方法在地球实现聚变的可行性 （A-2-D）
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氢弹——惯性约束聚变
氢弹是一种人工实现的、不可控制的热核反应，也是至
今为止在地球上用人工方法大规模获取聚变能的唯一方
法，但是它必须用裂变方式来点火，因此它实质上是裂
变加聚变的混合体，总能量中裂变能和聚变能大体相等。
氢弹，从本质上讲，是利用惯性力将高温等离子体进行
动力性约束，简称惯性约束。惯性约束还有激光惯性约
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可控聚变反应堆——磁约束
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• 带电粒子（等离子体）在磁场中受洛伦兹力的作用 而绕着磁力线运动，因而在与磁力线垂直的方向上 就被约束住了。同时，等离子体也被电磁场加热。
• 由于目前的技术水平还不可能使磁场强度超过10T， 因而磁约束的高温等离子体必须非常稀薄。如果说 惯性约束是企图靠增大粒子密度n来达到点火条件， 那么磁约束则是靠增大约束时间τ。
20
Leabharlann Baidu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。
21
1991年11月在欧洲的JET装置上首次成功地进行了D-T放电 实验，1997年,JET创下了输出聚变功率16.1MW、聚变能 21.7MJ的世界最高纪录。美国的TFTR装置于1993年10月也 实现了D-T聚变反应；近几年来，日本的JT-60U装置也取得了
10
核聚变高温的原因
▪ 由于发生聚变，即以结合力做正功产生核能， 必须要使两个等离子体的核克服由于距离的拉 近产生的库仑力做功，这就要求等离子体必须 有足够的动能，才能到达使得核力能够起作用， 从而把它们结合在一起。
▪ 高温因素也是形成等离子体的因素。由于聚变 需要高温等离子体，如果采用以实物质作为容 器，不仅会被熔毁，也会使离子的能量降低， 所以采用以场的形式约束。
2. 使燃料达到极高的密度，比液态氢的密度高一 千倍以上，这样就可以产生类似氢弹中发生的 爆炸，不过爆炸所释放的能量还不到氢弹输出 能量的百万分之一，这个过程不断重复，就能 类似于内燃机产生动力那样输出核能。
8
▪ 自然界以及人工中已存在的聚变中，“克 服高温”的容器
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核聚变的几种约束方式
1.太阳——引力约束聚变 地球上的万物靠着太阳源源不断的能量维持自 身的发展。在太阳的中心，温度高达1500万 （B-4-a）摄氏度，气压达到3000多亿个大气压， 在这样的高温高压条件下，氢原子核聚变成氦 原子核，并放出大量能量。几十亿年来，太阳 犹如一个巨大的核聚变反应装置，无休止地向 外辐射着能量。太阳拥有极大质量，产生一个 很强的引力场，把高温等离子体(B-4-b)约束。