1、核能的和平利用,核反應堆工程071班20074160122黃佩,背景,20世紀是人類文明迅猛發(fā)展的重要 階段，但這種發(fā)展主要依賴無節(jié)制地開發(fā)利用煤、石油、天然氣等化石燃料的自然資源。而這些有限的、不能再生的自然資源無法長期滿足日益增長的世界能源需求。,隨著世界經(jīng)濟的迅速發(fā)展，能源生產(chǎn)與消費之間、能源與環(huán)境之間的矛盾越來越大，有限的能源儲量已無法滿足人類日益增漲的需求，能源形勢越來越嚴峻。為了應對能源供應緊張和能源消耗過程中帶來

2、的生態(tài)環(huán)境惡化等情況，應充分利用現(xiàn)有傳統(tǒng)能源、研究節(jié)能新技術、積極開發(fā)新能源，開展能源與環(huán)境的關系研究。 新能源是相對于傳統(tǒng)能源而言的，通常是指核能（裂變能和聚變能）、風能、太陽能、地熱能、潮汐能、生物質能、海水溫差發(fā)電等。此外，對于能提高能源利用效率和改變其使用方式的技術如磁流體發(fā)電、煤的汽化和液化等，則是新的能量轉換技術，也屬于新的能源技術范疇。當今，石油價格的上漲和科技的進步，促進了新能源的開發(fā)和利用。,目前，只有核能才是一種可

3、以大規(guī)模使用且安全經(jīng)濟的能源。核能主要有兩種，即核裂變能和核聚變能。它們的可利用資源非常豐富，其中可開發(fā)的核裂變燃料資源（含釷）可使用上千年，核聚變資源可使用幾億年。裂變核能至今已有了很大發(fā)展。,第一節(jié) 核能的來源及核能發(fā)電的特點,根據(jù)愛因斯坦的質能關系式E＝mc2，核反應過程中質量的減少，必然伴隨著能量的放出，即△E=△mc2。這種由若干質子、中子等結合成原子核的時候放出的能量，叫做原子核的結合能，即核能。,一般化學反應僅是原

4、子與原子之間結合關系的變化，原子核結構并不發(fā)生改變。由于核子間的結合力比原子間結合力大得多，所以核反應的能量變化比化學反應要大幾百倍。 4g氫完全燃燒時放出的熱量大約可以把1kg水燒開，而在合成4g氦原子的核反應中，放出的熱量可以把5.0×103t水燒開，兩者釋放出的熱相差達到五百萬倍；再如1kg235U裂變時可放出相當于2.7×103t標準煤的能量；1kg氚發(fā)生聚變反應所放出的能量更大，相當1.1×10

5、4t標準煤或8.6×103t汽油燃燒后的熱量。,核能包括核裂變能、核聚變能、核素衰變能等。其中主要的核能形式為核裂變能和核聚變能。核裂變能是重元素（鈾或釷等）在中子的轟擊下，原子核發(fā)生裂變反應時放出的能量；核聚變能是輕元素（氘和氚）的原子核發(fā)生聚變反應時放出的能量。 下面主要介紹這兩種核能形式的產(chǎn)生。,一、核裂變能,某些重核原子如235U等，在熱中子的轟擊下，原子核發(fā)生裂變反應，產(chǎn)生質量相差不多的兩種核素

6、和幾個中子，并釋放出大量的能量。,,據(jù)測算，1kg235U全部裂變后釋放出的能量，相當于2.7×103t標準煤完全燃燒放出的化學能。在不加控制的鏈式反應中，從一個原子核開始裂變放出中子，到該中子引發(fā)下一代原子核的裂變，只需一納秒（10-9s）時間。在非常短的時間以及有限空間內，核裂變所放出巨大的能量必然會引起劇烈地爆炸。原子彈就是根據(jù)這種不加控制的鏈式反應的原理制成的。通過鏈式反應的控制，使核裂變能緩緩地釋放出來，可用于直接供

7、熱或發(fā)電等。核裂變電站就是利用可控核裂變來發(fā)電的。,產(chǎn)生核裂變能所使用的核材料主要是235U、239Pu。235U在天然鈾中的豐度只有0.7％左右。232Th、238U等盡管在自然界中豐度高、貯量大，并不能直接用于核裂變能的生產(chǎn)，但這些易增殖材料可以在快中子作用下通過核反應轉變?yōu)?33U、239Pu等易裂變的優(yōu)質核燃料，從而大大提高資源的利用率。僅就現(xiàn)在已經(jīng)探明的鈾貯量也足以用到核聚變能和太陽能取代核裂變能的時代。,二、核聚變能,聚變反

8、應有很多種，較易實現(xiàn)的有以下幾種,,,核聚變是由兩個或多個輕元素的原子核，如氫的同位素氘（D）或氚（T）的原子核，聚合成一個較重的原子核的過程。在這個過程中，由于某些輕元素如氘在聚變時質量虧損較核裂變反應時大，根據(jù)E=mc2，核聚變反應將會放出更多的能量。,如原子彈一樣，如果對聚變反應不加以控制，氫的同位素氘（D）、氚（T）發(fā)生核聚變反應時瞬間釋放出大量的熱，從而產(chǎn)生爆炸。氫彈就是利用這個原理來制造的。氫彈的爆炸是一種不可控制的釋能過程

9、，整個過程持續(xù)時間非常短，僅為百萬分之幾秒。而作為一種能源，人們期望聚變反應能在人工控制下緩慢、持續(xù)地發(fā)生，并把所釋放的能量轉化為電能輸出。這種人工控制下發(fā)生的核聚變過程被稱為受控核聚變。由于氘、氚聚變時釋放的能量巨大、聚變反應產(chǎn)物放射性污染小、聚變堆安全性好，以及氘的來源豐富等特點，氫材料是一種非常理想的核聚變材料。,三、核能發(fā)電的特點,核能發(fā)電是目前世界上和平利用核能最重要的途徑。無論從經(jīng)濟還是從環(huán)保角度而言，核能發(fā)電都具有許多明

10、顯的優(yōu)勢。,1.核電是清潔能源，有利于保護環(huán)境,產(chǎn)生核能所需的鈾、釷及氘、氚等資源在地球上的儲量十分豐富。地球上已探明的核裂變燃料，即鈾礦和釷礦資源，按其所含能量計算，相當于有機燃料的20倍。自然界中每噸海水或河水中均含有30g氘，據(jù)估計全球的海水中大約含有2.34×1013t氘，可大量提取。此外，這些核資源每單位資源產(chǎn)生的能量巨大。如1t金屬鈾裂變所產(chǎn)生的能量相當于2.7×106t標準煤所產(chǎn)生的能量；1t氘聚變產(chǎn)生

11、的能量相當于1.1×107t標準煤。1t海水就可以頂替33t標準煤。因此，核能的利用空間非常大，特別是在核聚變電站建成后，由于地球上存在著大量可以利用的氘等聚變資源，人類將不再為能源問題所困擾。,2.核電是清潔能源，有利于保護環(huán)境,石油、煤等有機燃料燃燒后向外部環(huán)境釋放大量煤渣、煙塵和硫、氮、碳等氧化物，以及汞、鎘、三四苯并芘等致癌物質，這些物質不僅直接危害人體健康和農(nóng)作物生長，還導致酸雨和“溫室效應”，對全球生態(tài)平衡破壞較大

12、。由于核裂變電站是嚴格按照國際上公認的安全和衛(wèi)生規(guī)范進行設計的，并且對放射性廢物按照盡力回收儲存、不往環(huán)境排放的原則進行嚴格的回收處理。因此，核電站向環(huán)境排放的只是極少量經(jīng)處理、符合相應排放標準的殘余尾氣和廢水。核電站數(shù)十年的運行經(jīng)驗表明，每發(fā)1.0×1011kW·h（相當于3.6×1014J）電，核電產(chǎn)生的放射性排放總劑量平均為1.2Sv，而燒煤電站的灰渣中放射性物質總劑量則為3.5Sv?？梢娂词箖H從放射

13、性排放角度看，核裂變電也比火電小。核聚變電站則幾乎不產(chǎn)生放射性廢物。,3.從性價比上來講，核電要優(yōu)于火電,火力發(fā)電的成本主要包括發(fā)電廠的建造折舊費，石油、煤等有機燃料費?；痣姀S的燃料費占發(fā)電成本的40%～60%。由于核裂變電廠特別考究安全和質量，所以它的建造費一般比火電廠高出30%～50%，但它的燃料費只占發(fā)電成本的20%～30%，比火力發(fā)電低。在西方發(fā)達國家，核裂變電的成本跟煤電比較，假如核電成本為1，則火電成本高達1.5～1.7。國

14、外經(jīng)驗證明，總體上來算，核裂變電廠的發(fā)電成本要比火電廠低15%～50%。由于煤和石油都是化學工業(yè)和紡織工業(yè)的寶貴原料，可用來制造各種成纖維、合成橡膠、合成肥料、塑料、染料、藥品等。它們在地球上的蘊藏量是有限的，作為原料，它們要比僅作為燃料的價值高得多。因此以核燃料代替煤和石油，有利于現(xiàn)有資源的合理利用。,在充分利用核能時，我們也應該注意到核裂變電站所帶來的危害：,1）熱污染　排出的熱水會對附近的海域生態(tài)造成影響；2）核廢料處理　核廢料

15、處理一直是一個難解之題，尤其是高放廢物的處理與處置問題；3）射線輻射　射線對生物體細胞造成傷害，便得細胞病變。,,四、核能的應用領域,核技術最初被作為現(xiàn)代化武器在國防軍事領域所使用，如原子彈、氫彈。而后，隨著社會的發(fā)展陸續(xù)開始在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學等諸多領域廣泛應用。如利用核能直接為工廠或家庭取曖供熱、核能發(fā)電、海水淡化、氫燃料的制備、航天器用的熱電轉換型同位素空間電池（利用核素衰變熱發(fā)電）、心臟起博器或軍用微機械用同位素電池（輻射伏特效

16、應）、食品輻照、食品和器具的消毒等。在后續(xù)幾節(jié)中將針對核能的和平利用進行介紹，重要介紹核裂變能發(fā)電、核聚變能發(fā)電。,第二節(jié) 核裂變發(fā)電,核裂變發(fā)電，其核心是核反應堆，它是一個能維持和控制核裂變鏈式反應，從而實現(xiàn)核能－熱能轉換的裝置。1942年，美國芝加哥大學建成了世界上第一座自持的鏈式反應裝置，從此開辟了核能利用的新紀元。,一.核電站工作原理,核電站是利用核裂變反應釋放出的能量來發(fā)電的工廠。它是通過冷卻劑流過核燃料元件表面，把裂變

17、產(chǎn)生地熱量帶出來，再產(chǎn)生蒸汽，推動汽輪發(fā)電機組發(fā)電。,二.核反應堆組成,核應堆由堆芯、冷卻系統(tǒng)、中子慢化系統(tǒng)、中子反射層、控制與保護系統(tǒng)、屏蔽系統(tǒng)、輻射監(jiān)測系統(tǒng)等組成。,①堆芯中的燃料 反應堆的燃料是可裂變或可增殖材料。自然界天然存在的易于裂變的材料只有235U，它在天然鈾中的含量僅有0.711%。另外，還有兩種利用反應堆或加速器生產(chǎn)出來的裂變材料233U和239Pu。 將這些裂變材料制成金屬、合金、氧化物、碳化物以及混合燃料等形式作

18、為反應堆的燃料。,②燃料包殼 由于裂變材料在堆內輻照時會產(chǎn)生大量裂變產(chǎn)物、特別是裂變氣體，為了防止裂變產(chǎn)物逸出，需要將核燃料裝在一個封密的包殼中。包殼材料多采用鋁、鋯合金和不銹鋼等。,③控制與保護系統(tǒng)中的控制棒和安全棒 為了控制鏈式反應的速率在一個預定的水平上，需用吸收中子的材料做成吸收棒，稱之為控制棒和安全棒?？刂瓢粲脕硌a償燃料消耗和調節(jié)反應速率；安全棒用來快速停止鏈式反應。吸收體材料一般是鉿、硼、碳化硼、鎘、銀銦鎘等。,④冷卻系

19、統(tǒng)　由于核裂變時產(chǎn)生大量的熱，為了維持堆運行的安全，需要將核裂變反應時產(chǎn)生的熱導出來，因此反應堆必須有冷卻系統(tǒng)。常用的冷卻劑有輕水、重水、氦和液態(tài)金屬鈉等。,⑤中子慢化系統(tǒng)　由于慢速中子更易引起235U裂變，而核裂變產(chǎn)生的中子則是快速中子，所以有些反應堆中要放入能使中子速度減慢的材料。這種材料就叫慢化劑。常用的慢化劑有水、重水、石墨等。,⑥中子反射層 反射層設在活性區(qū)四周，它可以是重水、輕水、鈹、石墨或其它材料。它能把活性區(qū)內逃出的中

20、子反射回去，減少中子的泄漏量。,⑦屏蔽系統(tǒng) 屏蔽系統(tǒng)設備在在反應堆周圍，以減弱中子及γ劑量,⑧輻射監(jiān)測系統(tǒng) 該系統(tǒng)能監(jiān)測并及早發(fā)現(xiàn)核反應堆放射性泄漏情況。,三.核裂變反應堆的結構形式和分類,反應堆的結構形式千姿百態(tài)，根據(jù)燃料形式、冷卻劑種類、中子能量分布形式、特殊的設計需要等因素可建造成各類型結構形式的反應堆。目前世界上有大小反應堆上千座，其分類也是多種多樣。通常按能譜、冷卻劑類型及用途對反應堆進行分類。,裂變堆型堆型分類（按能譜及

21、冷卻劑分類）,下面簡單介紹按反應堆用途分類的反應堆類型:,1）研究實驗反應堆 研究型實驗反應堆是指用于科學實驗研究的反應堆，但不包括為研究發(fā)展特定堆型而建造的、本身就是研究對象的反應堆，如原型堆，零功率堆，各種模式堆等。研究型實驗堆的應用領域很廣，包括堆物理、堆工程、生物、化學、物理、醫(yī)學等，并可用于生產(chǎn)各種放射性核素和反應堆工程人員培訓。研究實驗堆種類很多，它包括游泳池式研究實驗堆、罐式研究實驗堆、重水研究實驗堆、均勻型研究實驗堆、

22、快中子實驗堆等。,,游泳池式研究實驗堆：在這種堆中水既作為慢化劑、反射層和冷卻劑，又起主要屏蔽作用。因水池常做成游泳池狀而得其名。 罐式研究實驗堆：由于較高的工作溫度和較大的冷卻劑流量只有在加壓系統(tǒng)中才能實現(xiàn)，因此，必須采取加壓罐式結構。重水研究實驗堆：重水的中子吸收截面小，允許采用天然鈾燃料，它的特點是臨界質量較大，中子通量密度較低。如果要減小臨界質量和獲得高中子通量密度，就用濃縮鈾來代替天然鈾。,2）生產(chǎn)堆 生產(chǎn)堆主要用于生產(chǎn)

23、易裂變材料或其它材料，或用來進行工業(yè)規(guī)模的輻照。生產(chǎn)堆包括產(chǎn)钚堆、產(chǎn)氚堆和產(chǎn)钚產(chǎn)氚兩用堆、同位素生產(chǎn)堆及大規(guī)模輻照堆。如果不是特別指明，通常所說的生產(chǎn)堆是指產(chǎn)钚堆。 該堆結構簡單，生產(chǎn)堆中的燃料元件既是燃料又是生產(chǎn)239Pu的原料。中子來源于用天然鈾制作的元件中的235U。235U裂變中子產(chǎn)額為2～3個。除維持裂變反應所需的中子外，余下的中子被238U吸收，即可轉換成239Pu，平均“燒掉”一個235U原子可獲得0.8個钚原子。也可以用

24、生產(chǎn)堆生產(chǎn)熱核燃料氚。,3）動力反應堆世界上動力反應堆可分為潛艇動力堆和商用發(fā)電反應堆。核潛艇通常用壓水堆做為其動力裝置。商用核電站用的反應堆主要有壓水堆、沸水堆、重水堆、石墨氣冷堆和快堆等。,壓水堆：它采用低豐度（235U豐度約為3%）的二氧化鈾作燃料，以高壓水作慢化劑和冷卻劑，是目前世界上最為成熟的堆型。沸水堆：采用低豐度（235U豐度約為3%）的二氧化鈾作燃料，沸騰水作慢化劑和冷卻劑。重水堆：以重水作慢化劑，重水（或沸騰輕水

25、）作冷卻劑，可用天然鈾作為燃料。加拿大開發(fā)的坎杜堆達重水堆處于國際領先地位，目前也只有該堆型達到了商用水平。石墨氣冷堆：以石墨作慢化劑，二氧化碳作冷卻劑，用天然鈾燃料。最高運行溫度為360℃，這種堆已積累了豐富的運行經(jīng)驗，到90年代初期已運行了650個堆年。快中子堆：采用钚或高濃鈾作燃料，一般用液態(tài)堿金屬如液態(tài)金屬鈉或氣體作冷卻劑。不用慢化劑。根據(jù)冷卻劑的不同分為鈉冷快堆和氣冷快堆。,四.核能發(fā)電的發(fā)展歷史及國內外發(fā) 展現(xiàn)狀,核能利

26、用是人類在20世紀取得的最偉大的科技成果之一。19世紀末，英國物理學家湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子。1895年，德國物理學家倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線。1896年，法國物理學家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了放射性。1898年，居里夫人發(fā)現(xiàn)新的放射性元素釙。1905年，愛因斯坦在其著名的相對論中列出了質量和能量相互轉換的公式：E=mc2。這一公式表明，少量的質量虧損就可轉換為十分巨大的能量，揭示了核能來源的物理規(guī)律。這些發(fā)現(xiàn)都為核能的利用奠定了重要的理論基礎。,1938年，德

27、國物理化學家哈恩和施特拉斯發(fā)現(xiàn)了235U的裂變現(xiàn)象：在鈾原子核發(fā)生裂變的同時，釋放出巨大的能量。這個能量來源于原子核內部核子的結合能，它恰好相等于核裂變時的質量虧損。這一發(fā)現(xiàn)使核能的利用從理論走向了現(xiàn)實，人類從此揭開了核能的秘密。正如其它各種最先進的技術一樣，核能的利用是從制造核武器開始的。1942年，美國著名科學家費米領導幾十位科學家，在美國芝加哥大學建成了世界上第一座核反應堆，首次實現(xiàn)了可控核裂變連鎖反應，并利用其試驗成果于194

28、5年建成投產(chǎn)了世界上第一座生產(chǎn)核武器級钚的反應堆，標志著人類從此進入了核能時代。,核能的和平利用始于20世紀50年代初期。1951年，美國利用一座生產(chǎn)钚的反應堆的余熱試驗發(fā)電，功率為200kW。1954年，蘇聯(lián)建成世界上第一座核電站，發(fā)電功率為5MW。之后，英國和法國相繼建成一批生產(chǎn)钚和發(fā)電兩用的氣冷堆核電站。美國利用其掌握的核潛艇技術建成了第一座壓水堆核電站，電功率90MW。那時，各有核國家在抓緊進行核武器軍備競賽的同時也競相建造核電

29、站。20世紀70年代中期，西方國家進入建造核電站的高潮。這段時期，核電站增長的速度遠高于火電和水電。,在20世紀80年前后相繼發(fā)生了兩起重大的核電站事故，一起是發(fā)生在1979年的美國三里島核電站事故，另一起是發(fā)生在1986年前蘇聯(lián)的切爾諾貝利核電站事故。這是商用核電廠在32個國家中累積運行12000堆年期間發(fā)生的僅有的兩起重大事故。切爾諾貝利核事故發(fā)生的主要原因是反應堆沒有裝備安全殼；相比之下，安裝有安全殼的三里島核事故卻沒有對任何人造

30、成放射性傷害。這兩起核電站事故給全世界核電的發(fā)展帶來嚴重沖擊，特別是切爾諾貝利事故使全球核電發(fā)展形勢急轉直下。這次事故直接引發(fā)了很多國家，尤其是西歐各國的“反核”、“限核”乃至“廢核”運動。,如比利時、意大利、德國、荷蘭、瑞典、瑞士等受國際國內政治因素影響，明文規(guī)定限制核電發(fā)展；加拿大、捷克、芬蘭、法國、匈牙利、西班牙、英國、美國等雖然核電穩(wěn)定在一定的規(guī)模上，但增長緩慢。美國甚至在三里島核電站事故后的近三十年時間里沒有新建一臺核電機組；

31、只有韓國、日本、印度等國，由于經(jīng)濟快速增長導致能源需求增大或受到資源約束等原因，仍積極發(fā)展核電。此外，核燃料和高放廢物最終處置問題也是當時乃至現(xiàn)在制約核電發(fā)展的一個重要原因。20世紀八、九十年代，世界核電處于發(fā)展的低潮。,20世紀末，由于化石燃料的來源日趨緊張，其供應和價格受國際形式影響波動較大，以及使用過程中排放的溫室氣體所帶來的環(huán)境問題壓力日益加劇，再加上兩次大事故后世界核電的運行業(yè)績和技術進步，使得世界上許多國家把發(fā)展清潔能源的注

32、意力又重新轉移到核能。世界核電正逐漸走向復蘇。,據(jù)國際原子能機構公布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2002年底，全世界共有441臺核電機組在運行，分布在31個國家或地區(qū)。2002年共生產(chǎn)電力2.574×1012kW·h，約占當年世界總發(fā)電量的17%。,世界各國2006年核電裝機容量及發(fā)電量統(tǒng)計,我國的核能事業(yè)開始于1955年，但核能發(fā)電起步較晚，70年代開始設計工作，1985年開始建設我國大陸第一座核電廠（即秦山核電廠），1994

33、年投入運行。其后，除1996年開工建設的秦山2期核電廠是自主設計外；先后從法國引入大亞灣2×984MWe和蛉澳一期輕水核電站，從加拿大引入秦山3期2×750MWe重水核電站，從俄羅斯引進田灣2×1060MWe核電站。目前，我國大陸已投入商業(yè)運行的11臺核電機組，其總裝機容量約為9.0×106kW（見表9-2）。2007年核發(fā)電量近6.0×1010kW·h，大約占全國總發(fā)電量的1

34、.8%。,積極推進核電建設，是我國能源建設的一項重要政策。為此，我國制定了《核電中長期發(fā)展規(guī)劃（2005～2020年）》，計劃到2020年，在目前在建和運行核電容量1.6968×107kW的基礎上，新投產(chǎn)核電裝機容量約2.3×107kW，使核電運行裝機容量爭取達到4.0×107kW，核電年發(fā)電量達到2.6×1011kW·h~2.8×1011kW·h。為此需要規(guī)劃并建造

35、一大批核電站。我國的核電建設項目設想見表,中國大陸已投入運行和在建的核電廠,我國的核電建設項目設想,第三節(jié) 核聚變發(fā)電及核聚變堆研究進展,盡管核裂變發(fā)電是解決目前全球能源危機的一種新的能源，并且已經(jīng)在國民經(jīng)濟和社會生活中發(fā)揮著重要作用，但由于地球上鈾資源有限、釷資源利用技術發(fā)展不足，目前探明的鈾資源僅能維持目前已建和計劃建設的核裂變電站幾十年的全功率運行。此外，核電站運行過程中產(chǎn)生的大量高放廢物，這些高放廢物的處理與處置一直是困擾

36、世界的一個難題；公眾對核裂變堆的安全性、可靠性有所顧慮，對目前高放廢物處理措施一直持保留態(tài)度?；谝陨显颍肆炎兡艿陌l(fā)展受到了一定阻礙。,相比核裂變，核聚變幾乎不會帶來放射性污染等環(huán)境問題，而且其原料可直接取自海水中的氘，來源幾乎取之不盡，是理想的能源方式。目前人類已經(jīng)可以實現(xiàn)不受控制的核聚變，如氫彈的爆炸。但是要想能量可被人類有效利用，必須能夠合理的控制核聚變的速度和規(guī)模，實現(xiàn)持續(xù)、平穩(wěn)的能量輸出?？茖W家正努力研究如何控制核聚變，而

37、目前唯一最簡單可行的可控核聚變方式：是以輕原子如氘、氚為聚變反應原料，通過高溫提高原子核的動能，使之克服核之間的為庫侖斥力，直到原子核的融合，從而釋放出能量。核聚變堆一旦建立，將有望永久解決人類社會能源需求問題。目前，核聚變技術研究成為全世界研究的一個熱點。,一.核聚變能的優(yōu)點,作為另一種重要的形式的核能，核聚變具有以下優(yōu)點： 1.核聚變比核裂變釋放出更多的能量。例如，235U的裂變反應，將千分之一的物質變成了能量；而氘的聚變反應則將

38、近千分之四的物質變成了能量。因此，單位質量的氘聚變所放出的能量是單位質量235U裂變所放出能量的4倍左右。這是聚變核能作為一種潛在的新能源的突出優(yōu)點之一。,2.核聚變資源充足。海水中含有2.34×1013t氘，并且氚可以通過用中子轟擊鋰核產(chǎn)生，而地球上鋰非常資源豐富。因此，如果實現(xiàn)以氘（氘/氚）為原料的受控核聚變，就會永久解決世界能源短缺的問題；,3.核聚變能是一種非常安全的能源。核聚變堆發(fā)生的任何運行事故都能使等離子體迅速冷

39、卻，從而使核聚變反應在極短時間內熄滅；同時，等離子體中的儲能非常低小，不會發(fā)生核裂變堆上因核裂變余熱而引起的反應堆事故。因此，核聚變堆的安全性非常高；,4.核聚變能是相當清潔的能源。D-D、D-T核聚變的最終聚變產(chǎn)物僅為無放射性的氦，不產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體，也不產(chǎn)生長壽命放射性廢物，免去了鈾、钚回收以及高放廢物處理、處置難題。,因此， 從長遠來看，發(fā)展核聚變能，對解決全球能源緊缺、保護地球環(huán)境等至關重要。,二.實現(xiàn)核聚變的基本條件,在

40、輕元素的原子核聚變過程中，如氘－氘聚變或氘－氚聚變都是帶正電的原子核的結合反應，由于原子核之間的庫侖斥力很大，必須有足夠大的動能才能使它們克服庫侖斥力接近到核力能夠起作用范圍內（<10-15m）。盡管用加速器可以將輕核加速到0.05MeV，轟擊氘靶引發(fā)核聚變，但是在100萬個被加速的氘核中大約只發(fā)生一次聚變，聚變獲得的聚變能量遠小于加速器所消耗的電能，得不償失。目前，增大核動能的唯一可行的方法就是使參加聚變反應的物質具有足夠高的溫

41、度，即通常所稱的核聚變點火溫度。對于D-D反應，其點火溫度為5×108K，D-T反應的點火溫度為108K。如此高的點火溫度下，任何物質都已離解成等離子體。,要實現(xiàn)自持的聚變反應，等離子體光有足夠高的溫度還不行，還需要聚變所產(chǎn)生的能量能為次級粒子提供足夠的動能以維持聚變反應的進行，即熱核反應放出的能量至少要和加熱燃料所用的能量相當（反應放出能與輸入能量之比Q=1，稱為得失相當）。要實現(xiàn)Q≥１，除了高溫外，還必須滿足下面兩個條件：

42、一個是需要適當?shù)牡入x子體密度，一個是維持高溫和密度以足夠的時間τ。等離子體的密度越大，粒子碰撞發(fā)生核聚變反應的機率就越大；高溫和等離子體維持時間越長，聚變反應就更充分。,三.等離子體的約束,由上面的討論可以知道，要實現(xiàn)受控核聚變并獲得能量增益，其核心問題是產(chǎn)生一個高溫、高密度的等離子體并維持一定時間。由于聚變點火溫度極高（108K以上），任何物質在此溫度下已被熔化掉了，不可能找到一個實際的固體容器來盛放這種等離子體。因此，高溫等離子體的

43、約束問題就也就成為受控熱核反應所需解決的關鍵。目前，研究受控核聚變的實驗裝置多種多樣，但是根據(jù)其實現(xiàn)約束的原理，這些裝置可以分為兩類：磁約束和慣性約束。前者使用磁場約束高溫等離子體，后者則用強激光聚焦加熱燃料靶丸。這里只簡單介紹這兩類裝置的原理。,1.磁約束裝置,磁約束是受控核聚變研究中最早提出的一種約束方法，也是目前認為比較有希望在近期內實現(xiàn)點火條件的途徑。由于等離子體是由帶電的粒子組成，在磁場中運動會受到磁場的作用力。如果把磁場

44、的形狀、強度及分布設計得合理，就有可能使帶電粒子在規(guī)定的區(qū)域內運動。在聚變研究初期，提出了各種不同類型的磁約束裝置如快箍縮、磁鏡、仿星器等，并進行研究。,圖為托卡馬克裝置主要部件示意圖。,2.慣性約束裝置,慣性約束裝置是精確利用來多路激光束、相對論電子束或高能重離子束，在一個很短的時間內，同時射向一個微小的氘、氚燃料的靶丸，使靶丸從表面熔化、向外噴射而產(chǎn)生的向內的聚心的反沖力，將靶丸物質壓縮至高密度，同時將靶丸物質加熱到核聚變所需的高溫

45、，由于粒子的慣性，這種高溫高密度狀態(tài)將維持一定的時間，可使核聚變能充分進行，并釋放出大量的聚變能。在這種情況下，由于慣性約束時間短，可不考慮輻射能量損失。,激光聚變是20世紀70年代發(fā)展起來的一種核聚變方案，近三十年來發(fā)展迅猛，倍受人們關注。目前國際上最大的激光聚變裝置是位于美國加利福尼亞州勞倫斯一利弗莫爾國家實驗室的國家點裝火裝置（National Ignition Facility，NIF）。該裝置目前還處于建設中，部分光路已投入運

46、行。它長215m，寬120m，有192束激光，每束激光發(fā)射出持續(xù)大約十億分之三秒、蘊涵1.8×106J能量的脈沖紫外光輸出激光。該裝置除了用作核聚變的點火源外，還能夠模擬中子星、行星內核、超新星和核武器中存在的巨大壓力、灼熱高溫和龐大磁場等宇宙中最極端情況，為人類探索太空奧秘提供了條件。該裝置預計2009年完全建成。,四.可控核聚變發(fā)展歷史,二次大戰(zhàn)剛結束，美、蘇就率先開始受控熱核聚變的研究。隨著研究的進一步深入，在理論和技術

47、上遇到了一個個巨大的難題，迫使這些國家先后公布了自己的研究狀況，開展了廣泛的國際合作。20世紀60年代后，英、法、德、日及中國也陸續(xù)參與了研究。在受控核聚變研究初期的研究主要集中在等離子體約束途徑的探索上，至到80年代才逐漸形成慣性約束以激光核聚變?yōu)橹?、磁約束以托卡馬克途徑成為主的研究方向。,1980年以來，國際磁約束受控核聚變研究取得了顯著進展，一批大型和超大型托卡馬克裝置（美國的TFTR、歐共體的JET、日本的JT260U、前蘇聯(lián)的

48、T215等）相繼建成并投入運行。到20世紀90年代中，在三大托克馬克裝置JET、JT-60、TFTR上取得重大研究成果：聚變輸出功率16.1MW、等離子體溫度達到4.4×109℃，Q值已達到1.25。,五.大型國際科技合作項目－ITER計劃概述,1. ITER計劃的起源及發(fā)展ITER計劃是1985年由蘇聯(lián)領導人戈爾巴喬夫和美國總統(tǒng)里根在日內瓦峰會上共同倡議的。ITER計劃一出臺就受到各國政府的高度關注。最初，該計劃僅由美、

49、俄、歐、日四方參加，獨立于聯(lián)合國原子能委員會（IAEA）之外，總部分設美、日、歐三處。由于當時的科學理論和技術條件還不夠成熟，四方于1996年提出的ITER初步設計不很合理，投資上百億美元。1998年，美國由于國內政策的調整，以加強基礎研究為名，宣布退出ITER計劃。美國退出后，歐、日、俄三方則繼續(xù)合作，他們基于20世紀90年代核聚變研究成果及其它高新技術的發(fā)展，大幅度改造了實驗堆的設計，并于2001年完成了ITER裝置的工程設計（ED

50、A），預計建造費用約為50億美元，建造期8至10年，運行期20年。,2002年，歐、日、俄三方以EDA為基礎開始協(xié)商ITER計劃的國際協(xié)議，討論建立相應國際組織，并表示歡迎中國與美國參加ITER計劃。次年1月，中國正式宣布參加協(xié)商；同月末，美國由布什總統(tǒng)宣布重新參加ITER計劃；韓國于2003年6參加ITER協(xié)商。以上六方經(jīng)過長達兩年的艱苦談判，于2005年6月簽訂協(xié)議，一致同意把ITER建在法國核技術研究中心卡達拉奇（Cadarach

51、e）。印度于2006年加入ITER計劃。最終，七個成員國政府于2006年11月簽訂了建設ITER的國際協(xié)議。根據(jù) ITER 計劃的最新進展，預計將在 2016 年前建成并投入實驗。ITER裝置的概貌和基本設計參數(shù)見圖9-5和表9-4所示。ITER對聚變研究具有重大的作用，它將綜合演示聚變堆的工程可行性、進行長脈沖或穩(wěn)態(tài)運行的高參數(shù)等離子體物理實驗。各國科學家寄希望于這座核聚變堆在受控核聚變攻關中實現(xiàn)質的飛躍，證實受控核聚變能的開發(fā)在技

52、術上和工程上的現(xiàn)實性。,2. ITER計劃的科學目標 ①通過感應驅動等離子體電流，獲得聚變功率50萬千瓦、Q（輸出功率與輸入功率之比）大于10、脈沖時間500s的燃燒等離子體； ②通過非感應驅動等離子體電流，產(chǎn)生聚變功率大于35萬千瓦、Q大于5、燃燒時間持續(xù)3000s的等離子體，研究燃燒等離子體的穩(wěn)態(tài)運行。如果約束條件允許，將探索Q大于30的穩(wěn)態(tài)臨界點火的燃燒等離子體（不排除點火）；③同時還將驗證受控熱核聚變能的工程可行性，并為今

53、后如何設計和建造聚變反應堆積累信息。,實驗堆內部結構示意圖,ITER裝置的基本參數(shù),3. ITER計劃中未來聚變能的發(fā)展設想如果ITER運行、實驗順利，將于2030年建設能發(fā)電近百萬千瓦的聚變能示范電站(合作或各自安排)，并于2050年建設聚變能商用電站。根據(jù)該設想，到本世紀末，熱核聚變能有可能占到總能源的10%~20%，下世紀熱核聚變能將起重要作用。,六.我國的核聚變能研究,開發(fā)核聚變能是我國核能發(fā)展戰(zhàn)略中重要的一環(huán)。我國從20世紀

54、60年代就開始核聚變能研究，在克服環(huán)境及資源等不利因素影響后，建成了兩個在發(fā)展中國家中最大的、理工結合的大型現(xiàn)代化專業(yè)研究所，核工業(yè)西南物理研究院及中科院所屬的合肥等離子體物理研究所。還在中國科技大學、清華大學等高校中還設立了核聚變及等離子體物理專業(yè)或研究室，以培養(yǎng)專業(yè)人才。,從20世紀70年代開始，集中選擇了托克馬克為主要研究途徑。先后建成并運行了小型CT-6（北京物理所）、KT-5（中國科大）、HT-6B（ASIPP）、HL-1A（

55、SWIP）、HT-6M（ASIPP）及中型HL-1M（SWIP）。最近核工業(yè)西南物理研究院建成的HL-2A（見圖9-7）經(jīng)過進一步升級，有可能進入當前國際上正在運行的少數(shù)幾個大型托克馬克之列。在這些裝置的成功研制過程中，組建并鍛煉了我國的聚變工程隊伍。我國科學家在這些常規(guī)托克馬克裝置上開展了一系列十分有意義的研究工作。,自1991年，我國開展了超導托克馬克發(fā)展計劃（ASIPP），探索解決托克馬克穩(wěn)態(tài)運行問題。通過該計劃的成功實施，建成了

56、我國第一個超導托卡馬克－HT-7。其主要研究目標是，獲得并研究長脈沖或準穩(wěn)態(tài)高溫等離子體，并檢驗和發(fā)展與其相關的工程技術，為未來穩(wěn)態(tài)先進托卡馬克聚變堆提供工程技術和物理基礎。2006年建成了首個與ITER位形相似的大型非圓截面全超導托卡馬克核聚變實驗裝置EAST。EAST雖然比國際熱核聚變試驗堆（ITER）小，但位形與之相似且更加靈活。ITER預計于2016年建成，在其建成之前EAST將是國際上極少數(shù)可開展與ITER相關的穩(wěn)態(tài)先進等離子

57、體科學和技術問題研究的重要實驗平臺。這些超導托克馬克裝置無疑使我國在技術貯備與人才培養(yǎng)方面有了極大提高，更好地為國際熱核聚變的發(fā)展做出貢獻。,除了熱核聚變技術的研究外，“聚變-裂變混合堆項目”于1987年正式列入我國“863計劃”，目的為探索利用核聚變反應的另一類有效途徑。2000年由于諸多原因，“聚變-裂變混合堆項目”被中止，但核聚變堆概念設計以及堆材料和某些特殊堆材料、堆技術的研究仍在兩個專業(yè)研究所繼續(xù)進行。盡管就規(guī)模和水平來說，

58、我國核聚變能的研究和美、歐、日等發(fā)達國家還有不小的差距，但在某些方面我國的技術還是處在國際領先水平。,2003年1月，我國正式宣布加入ITER計劃協(xié)商，這是我國的核聚變能研究的一個重大轉機。ITER本身就是當代各類高、新技術的綜合。通過參加ITER計劃，可以掌握關鍵技術并培養(yǎng)一大批聚變工程和科研人才，有利于迅速提高我國核聚變能研究整體水平，推動我國高新技術及相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也為我國自主開發(fā)開展核聚變示范電站的研發(fā)準備技術基礎。,西南物理