物理學(xué)前言原子能及和平利用2

1、自從人類(lèi)學(xué)會(huì)如何使用能源使自己生活更加舒適和方便后，人們使用能源的能力和對(duì)能源的消耗就不斷增加。工業(yè)文明發(fā)展之后，這種需求和增加就越來(lái)越快。為了保持人類(lèi)的舒適生活，現(xiàn)在對(duì)能源的消耗極大。,7. 能源消耗現(xiàn)狀,各種化石能源的使用年限,到2100年，世界人口將達(dá)到百億。按照現(xiàn)在的消費(fèi)增長(zhǎng)，化石燃料可供人類(lèi)使用時(shí)間分別為:煤：220年石油：40年天然氣：60年,7. 能源消耗現(xiàn)狀,7. 能源消耗現(xiàn)狀,礦物能源不僅造成各種污染和“溫室效應(yīng)

2、”，而且大約在200年之內(nèi)，石油、煤和天然氣資源都有枯竭之虞。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，核能將是繼石油、煤和天然氣之后主要能源，人類(lèi)將從“石油文明”走向“核能文明”。,核能----未來(lái)能源的選擇,原子彈,氫彈,8.核聚變的利用——可控核聚變,5,,核聚變,由輕核聚合成中等核的過(guò)程.,實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)的三個(gè)條件,等離子體的溫度足夠高;等離子體的密度足夠大;所需的高溫和密度須維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間.,1957年,勞遜將以上三個(gè)條件定量化(對(duì)dt反應(yīng))形成勞遜判

3、據(jù),這是實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)并獲得能量增益的必要條件.,勞遜判據(jù),太陽(yáng)的熱核聚變由萬(wàn)有引力約束，這需要有恒星那樣大的質(zhì)量，這不僅在地球上做不到，即使在太陽(yáng)系最重的木星上也不能實(shí)現(xiàn)。,8.核聚變的利用——可控核聚變,即每個(gè)氘核聚變后可產(chǎn)生約7.2MeV的能量，是每個(gè)重核裂變釋放能量0.85MeV的8.5倍，單位質(zhì)量的氘核聚變釋放的能量比裂變大很多，這是聚變反應(yīng)作為一種潛在新能源的突出優(yōu)點(diǎn)，地球上風(fēng)能，水能，以及生物生長(zhǎng)的能量等等幾乎都來(lái)自于太陽(yáng)，

4、而太陽(yáng)表面所發(fā)生的就是核聚變反應(yīng)。太陽(yáng)本身就是一個(gè)超大的核聚變反應(yīng)堆。,8.核聚變的利用——可控核聚變,氘,氘在海水中的含量還是比較高的，只需要通過(guò)精餾法取得重水，然后再電解重水就能得到氘,精餾法　利用氘化合物的蒸氣壓特點(diǎn)而濃縮。目前最大的液氫精餾重水廠年產(chǎn)14噸重水。水精餾操作簡(jiǎn)單可靠、原料充足，但因分離系數(shù)小而能耗過(guò)大.,8.核聚變的利用——可控核聚變,氚,氚的半衰期為12.3年，所以自然界中不存在大量的氚。在自然界中只存在3.7

5、kg的氚。而氚在人體中只能存在40天。,在氚的衰變過(guò)程中，只會(huì)產(chǎn)生低能β射線（電子）， β射線甚至不能穿透皮膚。空氣中的β射線只能傳播幾毫米。,8.核聚變的利用——可控核聚變,現(xiàn)在人類(lèi)的氚都是人工制造而非天然提取的，人們通常用重水反應(yīng)堆在發(fā)電之余人工制造少量的氚，它是地球上最貴的東西之一，一克氚價(jià)值超過(guò)30萬(wàn)美元，僅在美國(guó)保存有30公斤左右的氚。,8.核聚變的利用——可控核聚變,氚,用地球陸地上的鋰生成氚可以使用上千年。

6、 用中子轟擊鋰核( Li)發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氚和α粒子并放出4.8MeV的能量． 海水里也蘊(yùn)藏豐富的鋰資源,8.核聚變的利用——可控核聚變,等離子體,固體,液體,氣體,等離子體,增加原子(核)運(yùn)動(dòng)速度的方法通常是提高物體的熱運(yùn)動(dòng)速度。當(dāng)物體的溫度足夠高時(shí)，物體呈等離子態(tài)。,8.核聚變的利用——可控核聚變,等離子體的約束方法,等離子體是由宏觀上呈電中性的帶電粒子所組成。自然狀態(tài)下的等離子體是自由運(yùn)動(dòng)的。,高溫的等離子體必須

7、要約束較長(zhǎng)的時(shí)間。磁場(chǎng)可很好約束高溫等離子體，使其沿磁力線運(yùn)動(dòng)。,8.核聚變的利用——可控核聚變,其實(shí)，利用輕核聚變?cè)?，人?lèi)早已實(shí)現(xiàn)了氘氚核聚變---氫彈爆炸，但氫彈是不可控制的爆炸性核聚變，瞬間能量釋放只能給人類(lèi)帶來(lái)災(zāi)難。如果能讓核聚變反應(yīng)按照人們的需要，長(zhǎng)期持續(xù)釋放，才能使核聚變發(fā)電，實(shí)現(xiàn)核聚變能的和平利用。,8.核聚變的利用——可控核聚變,在人工控制下的聚變稱(chēng)為受控聚變，釋放受控聚變能量的裝置，稱(chēng)為聚變反應(yīng)堆或聚變堆。,D-D

8、 反應(yīng),D-T 反應(yīng),8.核聚變的利用——可控核聚變,如果要實(shí)現(xiàn)核聚變發(fā)電，那么在核聚變反應(yīng)堆中， 第一步需要將作為反應(yīng)體的氘-氚混合氣體加熱到等離子態(tài)，也就是溫度足夠高到使得電子能脫離原子核的束縛，讓原子核能自由運(yùn)動(dòng)，這時(shí)才可能使裸露的原子核發(fā)生直接接觸，這就需要達(dá)到大約10萬(wàn)攝氏度的高溫。 第二步，由于所有原子核都帶正電，按照"同性相斥"原理，兩個(gè)原子核要聚到一起，必

9、須克服強(qiáng)大的靜電斥力。兩個(gè)原子核之間靠得越近，靜電產(chǎn)生的斥力就越  大，只有當(dāng)它們之間互相接近的距離達(dá)到大約萬(wàn)億分之三毫米時(shí)，核力（強(qiáng)作用力）才會(huì)伸出強(qiáng)有力的手，把它們拉到一起，從而放出巨大的能量。,8.核聚變的利用——可控核聚變,質(zhì)量輕的原子核間靜電斥力最小，也最容易發(fā)生聚變反應(yīng)，所以核聚變物質(zhì)一般選擇氫的同位素氘和氚。氫是宇宙中最輕的元素，在自然界中存在的同位素有： 氕、氘 （重氫）、氚（超重氫）。在氫的同位素中，氘和氚之

10、間的聚變最容易，氘和氘之間的聚變就困難些，氕和氕之間的聚變就更困難了。因此人們?cè)诳紤]聚變時(shí)，先考慮氘、氚之間 的聚變，后考慮氘、氘之間的聚變。重核元素如鐵原子也能發(fā)生聚變反應(yīng)，釋放的能量也更多；但是以人類(lèi)目前的科技水平，尚不足滿(mǎn)足其聚變條件。,8.核聚變的利用——可控核聚變,為了克服帶正電子原子核之間的斥力，原子核需要以極快的速度運(yùn)行，要使原子核達(dá)到這種運(yùn)行狀態(tài)，就需要繼續(xù)加溫，直至上億攝氏度，使得布朗運(yùn)動(dòng)達(dá)到一個(gè)瘋狂的水平，溫度越高，

11、原子核運(yùn)動(dòng)越快。以至于它們沒(méi)有時(shí)間相互躲避。然后就簡(jiǎn)單了，氚的原子核和氘的原子核以極大的速度，赤裸裸地發(fā)生碰撞，結(jié)合成1個(gè)氦原子核，并放出1個(gè)中子和17。6兆電子伏特能量。,8.核聚變的利用——可控核聚變,反應(yīng)堆經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行，內(nèi)部反應(yīng)體已經(jīng)不需要外來(lái)能源的加熱，核聚變的溫度足夠使得原子核繼續(xù)發(fā)生聚變。這個(gè)過(guò)程只要將氦原子核和中子及時(shí)排除出反應(yīng)堆，并及時(shí)將新的氚和氘的混合氣輸入到反應(yīng)堆內(nèi)，核聚變就能持續(xù)下去；核聚變產(chǎn)生的能量一小部分留

12、在反應(yīng)體內(nèi)，維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，剩余大部分的能量可以通過(guò)熱 交換裝置輸出到反應(yīng)堆外，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。這就和傳統(tǒng)核電站類(lèi)似了。,8.核聚變的利用——可控核聚變,聚變反應(yīng)和裂變反應(yīng)相比較，具有許多優(yōu)越性。,1、輕核聚變產(chǎn)能效率高1千克氘全部聚變釋放的能量相當(dāng)11000噸煤炭。 3、輕核聚變更為安全、清潔,8.核聚變的利用——可控核聚變,2、地球上聚變?nèi)剂系膬?chǔ)量豐富,氘在海水中大量存在。海水中大約每600個(gè)氫原子中就有一個(gè)氘原子，海水中氘的

13、總量約45萬(wàn)億噸。按目前世界消耗的能量計(jì)算，海水中氘的聚變能可用幾百億年。地球上蘊(yùn)藏的核聚變能約為蘊(yùn)藏的可進(jìn)行核裂變?cè)厮茚尦龅娜亢肆炎兡艿?000萬(wàn)倍，因此，核聚變能是一種取之不盡用之不竭的新能源。,1升海水 = 340升汽油 1克氘氚 = 8 噸 汽油 地球表面海水含氚1018噸,8.核聚變的利用——可控核聚變,2、地球上聚變?nèi)剂系膬?chǔ)量豐富,3、輕核聚變更為安全、清潔 高溫不能維持反應(yīng)

14、就能自動(dòng)終止，聚變產(chǎn)生的氦是沒(méi)有放射性的。廢物主要是泄露的氚，高速中子、質(zhì)子與其他物質(zhì)反應(yīng)生成的放射性物質(zhì)，比裂變反應(yīng)堆生成的廢物數(shù)量少，容易處理,同時(shí)受控核聚變反應(yīng)可在稀薄的氣體中持續(xù)地穩(wěn)定進(jìn)行，所以是安全的。,8.核聚變的利用——可控核聚變,現(xiàn)在的技術(shù)還不能很好的控制聚變反應(yīng)，問(wèn)題有：,１、熱核反應(yīng)的的點(diǎn)火溫度很高；,２、如何約束聚變所需的燃料；,8.核聚變的利用——可控核聚變,三種約束極高溫?zé)岷司圩內(nèi)剂系入x子體的途徑：

15、 重力約束； 慣性約束； 磁約束；,,三種約束途徑,8.核聚變的利用——可控核聚變,24,宇宙中主要能源由核聚變提供,太陽(yáng)發(fā)生的是輕核聚變反應(yīng).,太陽(yáng)能：重力約束聚變,,貝蒂循環(huán)（1938年),,,4個(gè)質(zhì)子的聚變過(guò)程中每個(gè)質(zhì)子貢獻(xiàn)6.7MeV,比裂變時(shí)每個(gè)質(zhì)子的貢獻(xiàn)大八倍,比化學(xué)能大一億倍.太陽(yáng)釋放的能量相當(dāng)于每秒種爆炸900億枚百萬(wàn)噸級(jí)的氫彈.天文研究表明,按太陽(yáng)總質(zhì)量的75%為氫計(jì)算,其熱核反應(yīng)可維持750億年.,,8

16、.核聚變的利用——可控核聚變,慣性約束核聚變是把幾毫克的氘和氚的混合氣體或固體，裝入直徑約幾毫米的小球內(nèi)。從外面均勻射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸發(fā)，受它的反作用，球面內(nèi)層向內(nèi)擠壓（反作用力是一種慣性力，靠它使氣體約束，所以稱(chēng)為慣性約束），就像噴氣飛機(jī)氣體往后噴而推動(dòng)飛機(jī)前飛一樣，小球內(nèi)氣體受擠壓而壓力升高，并伴隨著溫度的急劇升高。當(dāng)溫度達(dá)到所需要的點(diǎn)火溫度（大概需要幾十億度）時(shí)，小球內(nèi)氣體便發(fā)生爆炸，并產(chǎn)生大量熱能。這種爆

17、炸過(guò)程時(shí)間很短，只有幾個(gè)皮秒（1皮等于1萬(wàn)億分之一）。如每秒鐘發(fā)生三四次這樣的爆炸并且連續(xù)不斷地進(jìn)行下去，所釋放出的能量就相當(dāng)于百萬(wàn)千瓦級(jí)的發(fā)電站。,慣性約束法,8.核聚變的利用——可控核聚變,26,氫　彈：慣性約束聚變,輕核聚變反應(yīng)中,氘(d)與氚(T)的反應(yīng)截面最大而釋放能量最多：,氘化鋰(　　　)可作為氫彈的原料,,,氫彈的原理：引爆普通炸藥引發(fā)裂變反應(yīng), 產(chǎn)生高溫高壓同時(shí)放出大量中子,中子與　　反應(yīng)產(chǎn)生氚，發(fā)生d+T聚變反應(yīng).

18、,典型氫彈（裂變彈）的能量,欲使這兩部分能量相對(duì)減少,就要增加產(chǎn)生的中子數(shù)量,使聚變的貢獻(xiàn)大于裂變貢獻(xiàn),這使人們進(jìn)一步研究中子彈.但純聚變彈至今仍實(shí)現(xiàn)不了.,氫彈的本質(zhì)是利用慣性力約束高溫等離子體(動(dòng)力性約束).,人工約束較為成功的是激光慣性約束,此外還有電子束、重離子束的慣性約束方案,但這些人工慣性約束目前還僅限于理論,實(shí)踐上還未獲成功.可控核聚變最有希望的是磁約束.,8.核聚變的利用——可控核聚變,27,1952年11月1日，世界的

19、第一顆氫彈在太平洋的埃尼托威克環(huán)礁上方引爆，震撼了天際。這場(chǎng)美國(guó)的試爆行動(dòng)代號(hào)「艾薇麥克」，把附近島嶼的植被全部連根拔起、造成了一個(gè)直徑超過(guò)一英里的坑，並把大塊大塊受到放射線污染的珊瑚炸到50公里以外的地方。,28,1967.6.17，中國(guó)第一顆氫彈在西部地區(qū)上空試爆成功。（距中國(guó)第一顆原子彈試爆成功不到3年）,8.核聚變的利用——可控核聚變,,,磁約束,托卡馬克,,Tokamak — 是一種環(huán)形磁容器,磁約束 和 托卡馬克,磁場(chǎng)

20、可以約束帶電粒子,磁容器可盛裝和約束高溫等離子體,,8.核聚變的利用——可控核聚變,構(gòu)成托卡馬克環(huán)形磁容器的三個(gè)基本磁場(chǎng)： 縱向磁場(chǎng)； 極向磁場(chǎng) 等離子體電流磁場(chǎng),等離子體電流,極向場(chǎng)線圈,縱場(chǎng)線圈,,,,,托卡馬克環(huán)形磁容器的基本構(gòu)成,Tokamak (托卡馬克）— 是一種環(huán)形磁容器,8.核聚變的利用——可控核聚變,托卡馬克等離子體的加熱,通常用“聚變?nèi)朔e和增益Q值”來(lái)衡量等離子體的品質(zhì)參數(shù)。勞遜判據(jù)：要達(dá)到能量得失

21、相當(dāng)，要求等離子體密度n與等離子體能量約束時(shí)間的乘積 n×τE的最小值約為0.6×1020m-3s，即滿(mǎn)足聚變反應(yīng)物理可行性的最低要求。若QDT=1，則要求n?T 乘積達(dá)到 2×1021 m-3s keV,聚變反應(yīng)率隨溫度急劇增加,聚變等離子體持續(xù)燃燒需要有足夠的高溫、高密和長(zhǎng)時(shí)間的約束，即滿(mǎn)足所謂勞遜判據(jù)?？紤]軔致輻射損失后的勞遜判據(jù)要求nT?E大于3?1021 m-3 keVs。對(duì)于大型托卡馬

22、克裝置溫度T=10 keV，離子密度1?1020 m-3，得到能量約束時(shí)間要達(dá)3s以上。,受控核聚變研究的發(fā)展,50’s：建立了最初的小型磁約束裝置60’s：建立了成功的托卡馬克裝置70’s：建立了中型尺寸的托卡馬克80’s：建立了大型的托卡馬克90’s：達(dá)到了聚變功率得失相當(dāng)水平2006：協(xié)議建造國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆ITER,,ITER歷史發(fā)展過(guò)程,ITER 的計(jì)劃開(kāi)始于1984年（蘇聯(lián)、美、日、歐盟）1998年完成第一輪工

23、程設(shè)計(jì)（建造費(fèi)100億美元）； 2000年完成第二輪工程設(shè)計(jì)（建造費(fèi)50億美元）并宣布了新的參加規(guī)則.俄、美、日、歐盟,中,韓國(guó),印度 宣布參加05年6月28日在莫斯科會(huì)議上正式宣布將建在法國(guó)的Cadarache提交各國(guó)議會(huì)討論通過(guò)后， 06年11月21日簽署合作協(xié)議07年總部成立，ITER 項(xiàng)目 正式開(kāi)始建造,ITER,EAST,,與ITER 計(jì)參劃的七方,8.核聚變的利用——可控核聚變,ITER的典型參數(shù),尺寸：2

24、4 m （高）30 m（直徑）大半徑：6.2 m小半徑：2 m磁場(chǎng)： 5.3 T等離子體體積：850 m3放電持續(xù)時(shí)間：3000 s加熱功率： 73 MW (I)聚變功率：500 MW功率增益Q：10,8.核聚變的利用——可控核聚變,可自持的受控核聚變反應(yīng)堆,使用已有的氘和氚建立等離子體放電，達(dá)到聚變反應(yīng)條件聚變反應(yīng)生成中子、能量和氦，氦被排除用中子與裝置內(nèi)的鋰發(fā)生核反應(yīng)，生成氚，回收氚用生成的氚繼續(xù)與

25、氘發(fā)生聚變反應(yīng)能量被吸收，產(chǎn)生蒸汽發(fā)電,8.核聚變的利用——可控核聚變,可控核聚變研究（我國(guó)等離子體物理研究所）,包括HT-7超導(dǎo)托卡馬克裝置本體、大型超高真空系統(tǒng)、大型計(jì)算機(jī)控制和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、大型高功率脈沖電源及其回路系統(tǒng)、全國(guó)規(guī)模最大的低溫氦制冷系統(tǒng)、兆瓦級(jí)低雜波電流驅(qū)動(dòng)和射頻波加熱系統(tǒng)以及數(shù)十種復(fù)雜的診斷測(cè)量系統(tǒng)。 在十幾次實(shí)驗(yàn)中，取得若干具有國(guó)際影響的重大科研成果。特別是在2003年3月31日，

26、實(shí)驗(yàn)取得了重大突破，獲得超過(guò)1分鐘的等離子體放電，這是繼法國(guó)之后第二個(gè)能產(chǎn)生分鐘量級(jí)高溫等離子體放電的托卡馬克裝置。,中國(guó)第一個(gè)超導(dǎo)托卡馬克核聚變?cè)囼?yàn)裝置 HT-7,8.核聚變的利用——可控核聚變,,EAST或者稱(chēng)“實(shí)驗(yàn)型先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克”，是一臺(tái)全超導(dǎo)托卡馬克裝置。 EAST可能將成為世界上第一個(gè)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、具有全超導(dǎo)磁體和主動(dòng)冷卻第一壁結(jié)構(gòu)的托卡馬克。該裝置有真正意義的全超導(dǎo)和非圓截面特性，更有利于科學(xué)

27、家探索等離子體穩(wěn)態(tài)先進(jìn)運(yùn)行模式，其工程建設(shè)和物理研究將為“國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆”（ITER）的建設(shè)提供直接經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)。,世界上第一個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克 EAST,由于核心裝置都是全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克，我們的EAST被同行們稱(chēng)為“小ITER”。,可控核聚變研究（我國(guó)等離子體物理研究所）,8.核聚變的利用——可控核聚變,人類(lèi)的發(fā)展，即是追求夢(mèng)想的旅程。 不久的將來(lái)，一顆“人造小太陽(yáng)”將在地球上冉冉升起。,,8.核聚變的利用——可控核