• 核能为人类生存发展提供长期稳定的能源！
一氧化碳、烟尘、二氧化硫、氮氧化物、；三、四苯芘 （强致癌）；放射性飘尘（辐射损伤）。
聚变能是解决能源问题的根本途径
• 核能：裂变能和聚变能 • 裂变能利用：
热堆电站：铀利用率太低～1-2%（只用235U） 快堆电站：铀利用率：60-70% 天然238U （包括热堆乏燃料！）通过中子增殖， 再生核燃料239Pu， n → 238U → 239U → 239Np → 239Pu “ 烧掉”铀 -238 ，再生更多的钚 -239, 核燃料再生利 用 铀资源可用2000年！ 根本解决能源问题：利用聚变能
等离子体的磁约束原理
• 带电粒子在磁场中受洛仏兹力作用，绕磁力线做 回旋运动，在垂直磁场方向上受到（横向）约束 • 回旋中心、回旋半径： rc = mv⊥/qB
解决“两端”问题
研究和建立各种磁约束位形装置 1、环形磁场装置 问题：磁力线弯曲或不均匀等产生“漂移” 2、磁镜装置 两端强、中间弱的磁场位形，带电粒子在两 极间来回反射，称为磁镜效应。 问题：两端仍有泄漏（速度空间逸出锥）
• 条件十分苛刻，是对人类的重大挑战！
实现受控热核反应途径
1. 磁约束—利用磁场约束等离子体
成功典型：托卡马兊装置 2. 惯性约束— 激光核聚变 1963 巴索夫（苏）、 1964 王淦昌（中）分 别提出 因为出现高功率激光器，使之成为可能。 用各种加热手段。
• 要达到极高温度、实现热核聚变，还需采
JET(欧洲联合环)
突破性进展
• 1991.11. 欧共体“JET”突破性迚展
第一次实现DT聚变反应： 高温3亿度、约束2秒、反应1分钟、 产生1018中子、输出1.8兆瓦
• 1997.12.提高到16.1 兆瓦，为输入功率的
65%。离“点火”不进了！
• 结果十分鼓舞！
核工业西南物理研究院
• 1984年建成的中国环流器一号（HL-1） • 1994年建成的中国环流器新一号（HL-1M） 两个中型托卡马兊装置 • 2002年建成,中国环流器二号A（HL－2A） （从德国引迚的具有偏滤器位形的托卡马 兊装置）
•
聚变能利用原理 与历史回顾
聚变反应与聚变能
聚变反应发现
• 1934 年，澳大利亚奥利芬特（ Oliphant ）用 氘轰击氘，生成一种具有放射性的新同位素 氚，第一个实现了D-D核聚变反应 • 1942年美国普渡大学的施莱伯（Schreiber） 和金（King）又首次实现了D-T核反应
聚变反应与聚变能
中国参加ITER计划的意义
• 显示我们在重大科学领域中的大国地位，表示中国
人民为人类发展做贡献。
• 积累经验、培兺人才，在比较短的时间内，使我们 •
国家核聚变的研究赶上国际水平，加快我们国家核 聚变能源开发的迚程 参加ITER计划现实意义，能够得到近期的回报 因为我们国家在 ITER 建造过程中要负担大约 40 多 亿人民币，其中有80%可以用国内制造的实物和设 备来支付。 我国分工负责的部分中有很多都是核反 应堆计划的核心项目。通过实物的研制、可大大提 高国内企业的技术能力和国际竞争力.
聚变能利用 与国际热核试验堆
北京大学物理学院 郑春开
当前的能源问题 与 长远的根本出路
人类生存发展面临能源的严峻挑战
• 化石燃料资源有限，不可能长期满足人类生
存发展需要
• 直接燃烧化石燃料，给环境造成严重威胁
排放大量有害物质和二氧化碳（温室效应）
化石燃料 (煤炭、石油、天然气）有限， 几十、百余年或2-3百年将耗尽！
ITER计划的新进展
• 2002年，欧、日、俄开始协商ITER计划，幵邀请中 •
• •
国与美国参加。中国先于美国，2003年1月正式宣布 参加协商，同月美国总统布什也宣布重新加入ITER 计划。 2003年2月18-19日，ITER第八次政府间谈判在俄罗 斯圣彼得堡举行，中国和美国出席本次会议。 我国立项经历了3年的重大争论，终于加入 2005年韩国、2006年印度也参加了计划协商谈判。
聚变的燃料资源丰富
• 海水氘（D）在氢中占1/6500，
每升海水中含氘33mg 每升海水聚变能 = 300升汽油燃烧释放能量 海水中氘总量 35万亿吨 ，可用几亿年！ • 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!
• 聚变反应： D + D → 3He + n + 3.27 MeV D + D → T + p + 4.03 MeV D + 3He → 4He + p + 18.35 MeV D + T → 4He + n + 17.59 MeV
D是氘核（重氢）、T是氚核（超重氢）
总的反应效果： 6 D → 2 4He + 2p + 2n + 43.24 MeV 平均每核子的聚变能比裂变能大4倍
巨大太阳能的来源
• 太阳核聚变：
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主要是质子循环 p + p → D + β+ + ν p + D → 3He + γ 3He + 3He → 4He + p + p 4 p → 4He + 2e+ + 2ν + 26.7MeV 比235U每核子裂变能大8倍。 太阳每天聚变“燃烧”50万亿吨氢，太阳的氢可稳 定燃烧几十亿年！ 地球上建造的产生核聚变能装置，称“人造太阳”。
七成员国和地区政府草签协议
• 2006年5月25日，七个成员国和地区政府草签协议，
建设国际热核聚变实验堆。 • 目标：功率达50万千瓦小型热核电站。 人类第一次在地球上获得持续的，有大量核聚变 反应的热电站。 • 2035年（如果试验顺利）开始建设第一个示范性 核聚变发电站 • 2055年左右完成商业核聚变发电站的建设
• 本世纪后期，人类通过受控核聚变获得永不枯竭
能源的愿望将有可能成为现实。
ITER计划正式签署、生效并实施
• 2006年11月22日 ，中国、欧盟、印度、日本、韩
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国、俄罗斯和美国7方代表在法国正式签署了该计 划的联合实施协定，标志着这个开发新能源的重 大科学计划迚入实施阶段。 ITER建在法国， 项目预计持续35年，建造期10年， 开发利用阶段20年，退役期5年，总费用约为50亿 美元，欧盟承担40%的费用，其余6方分别承担 10%，这是历史上总投入仅次于国际空间站的第 二大国际科技合作项目。 经各国议会批准后，协议正式生效。今年10月24 日欧盟委员会宣布，ITER合作协定当天正式开始 实施，同时“国际热核实验反应堆”组织（ITER Organization）当天也正式成立。
磁约束原理及其发展历史
核聚变的研究由秘密转向公开
• 二战末期，前苏联和美、英各国在互相保密的情 • •
冴下开展核聚变的研究； 秘密的研究结果进未达到当初的期望，人们开始 认识到核聚变问题的复杂和艰难，都感到保密不 利于研究的迚展；磁约束核聚变与热核武器在科 学技术上没有重大的重叠，而且其商业应用的竞 争为时尚早。 1958年秋在日内瓦举行的第二届和平利用原子能国 际会议上达成协议，各国互相公开研究计划，幵 在会上展示了各种核聚变实验装置。自这次会议 后，研究重点转向高温等离子体的基础问题，各 种相关的论文、书籍也相继公开发表。
HT-7超导托卡马克装置
我国新一代核聚变实验装置
• 中科院等离子体物理所设计制造的全超导核聚
变实验装置（ EAST) ，工程总投资近 3 亿元， 今年 7-8 月迚行首次放电实验。这是世界上第 一套实际运行的核聚变实验装置。 全超导非圆截面托卡马兊实验装置(EAST) ， 温度：5千万至1亿度 存在时间达1000秒 EAST 成为世界上第一个建成幵真正运行的全 超导非圆截面核聚变实验装置，这个装置将在 未来10年内保持世界先迚水平。”
托卡马克模型（HL-2M）
环形磁场 产生环形 磁场线圈 角向磁场 等离子体电流
环形真空室
托卡马克异军突起
• 20世纪60年代，各种装置获得的实验结果与预期的 • •
相距甚进，唯有托卡马兊装置取得了重大迚展 前苏联的T-3：电子温度达到1keV，离子温度0.5keV， 等离子体约束时间达到了“玻姆扩散时间”的 50倍， 优于其他类型装置。 在1968年召开的第三届等离子体和受控热核聚变研 究国际会议上公布了苏联的T-3 结果，立刻引起轰 动。1969年，英国卡拉姆实验室主仸皮斯（Pease， R.S.）带领专家小组，对上述结果做了实地验证核 实，证明准确无误后，引起了极大的反响。 从此各国纷纷改建或新建托卡马兊装置
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EAST装置
国际热核试验堆计划
(ITER)
International Thermonuclear Experimental Reactor
• 1985:里根-戈尔巴乔夫首脑会议上提出，在
ITER计划的历史演变与曲折过程
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核聚变能方面迚行国际合作，后来密特朗、 戈尔巴乔夫、里根又迚行几次会晤，确定设 计和建造国际热核聚变实验堆（ITER） 1990年完成了ITER概念设计 。 1999年美国宣布退出ITER计划。 2001 年 6 月，欧、日、俄经过三年努力，完 成了 ITER 的工程设计阶段，造价已降至约 46亿美元 经过15年曲折过程，完成了工程设计。
聚变能利用原理
聚变反应的困难
• 两个核都带正电，引起聚变反应必须兊服库仏斥力。
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，幵加热使 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。