1、1谢谢你的阅读2019年10月17聚变能利用与国际热核试验堆北京大学物理学院郑春开2谢谢你的阅读2019年10月17当前的能源问题与长远的根本出路3谢谢你的阅读2019年10月17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化石燃料资源有限，不可能长期满足人类生存发展需要存发展需要 化石燃料化石燃料 (煤炭、石油、天然气）有限，煤炭、石油、天然气）有限， 几十、百余年或几十、百余年或2-3百年将耗尽！百年将耗尽！直接燃烧化石燃料，给环境造成严重威胁直接燃烧化石燃料，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）排放大量有害物质和二氧化碳（温室效应） 一氧化碳
2、、烟尘、二氧化硫、氮氧化物、；三、四苯芘一氧化碳、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）。（强致癌）；放射性飘尘（辐射损伤）。 核能为人类生存发展提供长期稳定的能源！核能为人类生存发展提供长期稳定的能源！4谢谢你的阅读2019年10月17聚变能是解决能源问题的根本途径核能：裂变能和聚变能核能：裂变能和聚变能裂变能利用：裂变能利用： 热堆电站：铀利用率太低热堆电站：铀利用率太低1-2%（只用（只用235U） 快堆电站：铀利用率：快堆电站：铀利用率：60-70% 天然天然238U （包括热堆乏燃料！）通过（包括热堆乏燃料！）通过中子增殖，中子增殖，再生核燃料再生核
3、燃料239Pu， n 238U 239U 239Np 239Pu “烧掉烧掉”铀铀-238，再生更多的钚，再生更多的钚-239, 核燃料再生利核燃料再生利用用 铀资源可用铀资源可用2000年！年！根本解决能源问题：利用聚变能根本解决能源问题：利用聚变能5谢谢你的阅读2019年10月17聚变能利用原理与历史回顾6谢谢你的阅读2019年10月17聚变反应与聚变能7谢谢你的阅读2019年10月17聚变反应发现 1934年，澳大利亚奥利芬特（年，澳大利亚奥利芬特（Oliphant）用）用氘轰击氘，生成一种具有放射性的新同位素氘轰击氘，生成一种具有放射性的新同位素氚，氚，第一个第一个实现了实现了D-D核
4、聚变反应核聚变反应 1942年美国普渡大学的施莱伯（年美国普渡大学的施莱伯（Schreiber）和金（和金（King）又）又首次实现首次实现了了D-T核反应核反应8谢谢你的阅读2019年10月17聚变反应与聚变能 聚变反应聚变反应： 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）、是氘核（重氢）、T是氚核（超重氢是氚核（超重氢） 总的反应效果总的反应效果： 6 D 2 4He + 2p + 2n + 43.24 MeV 平
5、均每核子的聚变能比裂变能大平均每核子的聚变能比裂变能大4倍倍9谢谢你的阅读2019年10月17聚变的燃料资源丰富海水氘（海水氘（D）在氢中占）在氢中占1/6500， 每升海水中含氘每升海水中含氘33mg 每升海水聚变能每升海水聚变能 = 300升汽油燃烧释放能量升汽油燃烧释放能量 海水中氘总量海水中氘总量 35万亿吨万亿吨 ，可用几亿年！，可用几亿年！氚天然不存在氚天然不存在, 靠锂生产：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；聚变产地球上锂丰富，我国可采的锂数百万吨；聚变产生生1万亿度电只需万亿度电只需100吨锂；吨锂； 氦氦-3：月
6、球上丰富，：月球上丰富，50-500万吨，用月球车运回万吨，用月球车运回1000吨，可发电万亿度吨，可发电万亿度, 现在谈氦现在谈氦-3利用是过早了利用是过早了!10谢谢你的阅读2019年10月17巨大太阳能的来源太阳核聚变：太阳核聚变： 主要是质子循环主要是质子循环 p + p D + + + p + D 3He + 3He + 3He 4He + p + p 4 p 4He + 2e+ + 2 + 26.7MeV 比比235U每核子裂变能大每核子裂变能大8倍。倍。太阳太阳每天每天聚变聚变“燃烧燃烧”50万亿吨氢，太阳的氢可稳万亿吨氢，太阳的氢可稳定燃烧几十亿年！定燃烧几十亿年！地球上建造的
7、产生地球上建造的产生核聚变能装置，称核聚变能装置，称“人造太阳人造太阳”。11谢谢你的阅读2019年10月17聚变能利用原理12谢谢你的阅读2019年10月17聚变反应的困难两个核都带正电，引起聚变反应必须克服库仑斥力。两个核都带正电，引起聚变反应必须克服库仑斥力。设想的方法有三种：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，引起核聚变很容易起核聚变很容易,但在能量上得不偿失！但在能量上得不偿失！ 2.用两束高能氘核对撞实现核聚变用两束高能氘核对撞实现核聚变, 两束氘核几乎是两束氘核几乎是完全透明，几率太低！完全透明，几率太低！
8、 3.受控热核反应受控热核反应 ：将一团氘核约束在一起，并加热使：将一团氘核约束在一起，并加热使其到达足够高的温度，形成完全电离气体，称其到达足够高的温度，形成完全电离气体，称“等等离子体离子体”，通过核间频繁地碰撞，依靠氘核自身热，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，运动的动能，使两核相互接近，可望发生核聚变，称称受控热核反应受控热核反应。13谢谢你的阅读2019年10月17受控热核反应条件实现核能利用，条件十分苛刻，满足：实现核能利用，条件十分苛刻，满足： 高温高温：燃料（氘、氚）需：燃料（氘、氚）需110亿度（克服亿度（克服静电排斥）静电排斥）
9、高温氘氚等离子体高温氘氚等离子体 约束约束：足够密度与足够长时间：足够密度与足够长时间 DT反应要求相对低些反应要求相对低些 DD反应要求高反应要求高条件十分苛刻，是对人类的重大挑战！条件十分苛刻，是对人类的重大挑战！ 因此聚变发现，并不像因此聚变发现，并不像1939年裂变发现那样年裂变发现那样震惊世界。只有实现原子弹爆炸后，震惊世界。只有实现原子弹爆炸后，聚变能聚变能才以氢弹爆炸形式得到释放。才以氢弹爆炸形式得到释放。14谢谢你的阅读2019年10月17实现受控热核反应途径1. 磁约束磁约束利用磁场约束等离子体利用磁场约束等离子体 成功典型：托卡马克装置成功典型：托卡马克装置2. 惯性约束惯
10、性约束 激光核聚变激光核聚变 1963巴索夫（苏）、巴索夫（苏）、1964王淦昌（中）分王淦昌（中）分别提出别提出 因为出现高功率激光器，使之成为可能。因为出现高功率激光器，使之成为可能。要达到极高温度、实现热核要达到极高温度、实现热核聚变，还聚变，还需采需采用各种加热手段。用各种加热手段。15谢谢你的阅读2019年10月17磁约束原理及其发展历史16谢谢你的阅读2019年10月17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二战末期，前苏联和美、英各国在互相保密的情况下开展核聚变的研究；况下开展核聚变的研究；秘密的研究结果远未达到当初的期望，人们开始秘密的研究结果远未
11、达到当初的期望，人们开始认识到核聚变问题的认识到核聚变问题的复杂和艰难复杂和艰难，都感到保密不，都感到保密不利于研究的进展；磁约束核聚变与热核武器在科利于研究的进展；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。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，国际会议上达成协议，各国互相公开研究计划，并在会上展示了各种核聚变实验装置。自这次会并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，议后，
12、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。各种相关的论文、书籍也相继公开发表。17谢谢你的阅读2019年10月17等离子体的磁约束原理 带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用，绕磁力线做带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用，绕磁力线做回旋运动，回旋运动，在垂直磁场方向上受到（横向）约束在垂直磁场方向上受到（横向）约束 回旋中心、回旋半径：回旋中心、回旋半径： rc = mv v/qB18谢谢你的阅读2019年10月17解决“两端”问题研究和建立各种磁约束位形装置研究和建立各种磁约束位形装置 1、环形磁场装置、环形磁场装置 问题：磁力线弯曲或不均匀等产生问题：磁力线弯曲或不均匀等
13、产生“漂移漂移” 2、磁镜装置、磁镜装置两端强、中间弱的磁场位形，带电粒子在两两端强、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。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）问题：两端仍有泄漏（速度空间逸出锥）19谢谢你的阅读2019年10月17磁镜装置的约束与逃逸 磁镜：中间弱、两端强的磁场位形，可使带电粒磁镜：中间弱、两端强的磁场位形，可使带电粒子在两极间来回反射子在两极间来回反射 问题：问题： 速度空间逸出锥速度空间逸出锥 等离子体难以建立等离子体难以建立 苏联苏联失败失败20谢谢你的阅读2019年10月17简单环形装置不能稳定约束 磁力线弯曲产生磁力线
14、弯曲产生“漂漂移移” 电流线圈产生的环形电流线圈产生的环形磁场内侧强外侧弱，磁场内侧强外侧弱，也引起也引起“漂移漂移” “漂移漂移”使使等离子体等离子体向外推，因而不能形向外推，因而不能形成稳定的约束。成稳定的约束。 研究发现：磁场旋转研究发现：磁场旋转变换改善约束变换改善约束 托卡马克装置托卡马克装置21谢谢你的阅读2019年10月17托卡马克装置20世纪世纪50年代，苏联库尔恰托夫研究所的阿齐莫维年代，苏联库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人发明了齐等人发明了“托卡马克装置托卡马克装置” 。 在环形不锈钢真空室外套有多匝线圈，利用电容器在环形不锈钢真空室外套有多匝线圈，利用电容器放电，使真空室
15、形成环形磁场。放电，使真空室形成环形磁场。 同时用变压器放电，使真空室中气体（聚变燃料）同时用变压器放电，使真空室中气体（聚变燃料）电离并形成电流，强等离子体电流产生极向磁场电离并形成电流，强等离子体电流产生极向磁场, ,与与环形磁场结合，形成环形磁场结合，形成旋转变换磁场，旋转变换磁场，约束高温等离约束高温等离子体，这种装置称子体，这种装置称“托卡马克装置托卡马克装置”。托卡马克名称托卡马克名称 ( Tokamak ) 环形环形(toroidal)、真空室、真空室(kamera)、磁、磁(magnit)、 线圈线圈(kotushka)的字母缩写。的字母缩写。22谢谢你的阅读2019年10月1
16、7托卡马克模型（HL-2M）等离子体电流等离子体电流环形真空室环形真空室产生环形产生环形磁场线圈磁场线圈环形磁场环形磁场角向磁场角向磁场23谢谢你的阅读2019年10月17托卡马克异军突起20世纪世纪60年代，各种装置获得的实验结果与预期的年代，各种装置获得的实验结果与预期的相距甚远，唯有托卡马克装置取得了重大进展相距甚远，唯有托卡马克装置取得了重大进展前苏联的前苏联的T-3：电子温度达到：电子温度达到1keV，离子温度，离子温度0.5keV，等离子体约束时间达到了等离子体约束时间达到了“玻姆扩散时间玻姆扩散时间”的的50倍，倍，优于其他类型装置。优于其他类型装置。在在1968年召开的第三届等
17、离子体和受控热核聚变研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究国际会议上公布了苏联的T-3 结果，立刻引起轰动。结果，立刻引起轰动。1969年，英国卡拉姆实验室主任皮斯（年，英国卡拉姆实验室主任皮斯（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。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克装置从此各国纷纷改建或新建托卡马克装置24谢谢你的阅读2019年10月17大量托卡马克装置建立欧共体欧共体“JET”美国美国PLT, TFTR苏联苏联 T-10, T-15
18、日本日本 JT-60U中国中国1973年开始筹建环流器年开始筹建环流器 HL-1(1984), HL-1M(1994)（四川）（四川） HT-6B(1980), HT-6M(1985), HT-7(1995), EAST(2006 )（合肥）（合肥）30多个国家建造了几十个托卡马克装置多个国家建造了几十个托卡马克装置25谢谢你的阅读2019年10月17JET(欧洲联合环欧洲联合环) 26谢谢你的阅读2019年10月17突破性进展1991.11. 欧共体欧共体“JET”突破性进展突破性进展 第一次实现第一次实现DT聚变反应：聚变反应： 高温高温3亿度、约束亿度、约束2秒、反应秒、反应1分钟、分钟
19、、 产生产生1018中子、输出中子、输出1.8兆瓦兆瓦1997.12.提高到提高到16.1 兆瓦，为输入功率的兆瓦，为输入功率的65%。离离“点火点火”不远了不远了！结果十分鼓舞！结果十分鼓舞！27谢谢你的阅读2019年10月1728谢谢你的阅读2019年10月17核工业西南物理研究院 1984年建成的中国环流器一号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（年建成的中国环流器新一号（HL-1M）两个中型托卡马克装置两个中型托卡马克装置 2002年建成年建成,中国环流器二号中国环流器二号A（HL2A）（从德国引进的具有偏滤器位形的托卡马（从德国引进的具有偏滤器位形的托
20、卡马克装置）克装置）29谢谢你的阅读2019年10月17中国环流器（HL-1M) )30谢谢你的阅读2019年10月17HL-2A31谢谢你的阅读2019年10月17中科院等离子体所 先后建成先后建成HT-6B、HT-6M等托卡马克实验等托卡马克实验装置装置 1991年从俄罗斯库尔恰托夫原子能所引进年从俄罗斯库尔恰托夫原子能所引进T7超导托卡马克装置及其低温系统，对超导托卡马克装置及其低温系统，对T7进行根本性的改造，进行根本性的改造， 1994年底成功地年底成功地建成大型超导托卡马克装置建成大型超导托卡马克装置HT-7 2004年年4月月11日至日至6月月14日在日在HT-7装置上高装置上高
21、温等离子体物理实验研究中取得了突破性温等离子体物理实验研究中取得了突破性进展，放电脉冲长度突破了百秒关，达到进展，放电脉冲长度突破了百秒关，达到了了240秒秒 32谢谢你的阅读2019年10月17HT-7超导托卡马克装置33谢谢你的阅读2019年10月17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（变实验装置（EAST)，工程总投资近，工程总投资近3亿元，亿元，今年今年7-8月进行首次放电实验。这是世界上第月进行首次放电实验。这是世界上第一套实际运行的核聚变实验装置。一套实际运行的核聚变实验装置。全超导非圆截面托卡马克实验
22、装置全超导非圆截面托卡马克实验装置(EAST) ， 温度：温度：5千万至千万至1亿度亿度 存在时间达存在时间达1000秒秒EAST成为世界上第一个建成并真正运行的全成为世界上第一个建成并真正运行的全超导非圆截面核聚变实验装置，这个装置将在超导非圆截面核聚变实验装置，这个装置将在未来未来10年内保持世界先进水平。年内保持世界先进水平。”34谢谢你的阅读2019年10月17EAST装置35谢谢你的阅读2019年10月17国际热核试验堆计划(ITER)International Thermonuclear Experimental Reactor 36谢谢你的阅读2019年10月17ITER计划的历
23、史演变与曲折过程1985:里根里根-戈尔巴乔夫首脑会议上提出，在戈尔巴乔夫首脑会议上提出，在核聚变能方面进行国际合作，后来密特朗、核聚变能方面进行国际合作，后来密特朗、戈尔巴乔夫、里根又进行几次会晤，确定设戈尔巴乔夫、里根又进行几次会晤，确定设计和建造国际热核聚变实验堆（计和建造国际热核聚变实验堆（ITER）1990年完成了年完成了ITER概念设计概念设计 。1999年美国宣布退出年美国宣布退出ITER计划。计划。 2001年年6月，月，欧、日、俄经过三年努力，欧、日、俄经过三年努力，完完成了成了ITER的工程设计阶段，造价已降至约的工程设计阶段，造价已降至约46亿美元亿美元经过经过15年曲折
24、过程，完成了工程设计。年曲折过程，完成了工程设计。37谢谢你的阅读2019年10月17ITER计划的新进展2002年，欧、日、俄开始协商年，欧、日、俄开始协商ITER计划，并邀请中计划，并邀请中国与美国参加。中国先于美国，国与美国参加。中国先于美国，2003年年1月正式宣布月正式宣布参加协商，同月美国总统布什也宣布参加协商，同月美国总统布什也宣布重新加入重新加入ITER计划。计划。2003年年2月月18-19日，日，ITER第八次政府间谈判第八次政府间谈判在俄罗在俄罗斯圣彼得堡举行，斯圣彼得堡举行，中国和美国出席本次会议中国和美国出席本次会议。我国立项经历了我国立项经历了3年的重大争论，终于加
25、入年的重大争论，终于加入2005年韩国、年韩国、2006年印度也参加了计划协商谈判。年印度也参加了计划协商谈判。 38谢谢你的阅读2019年10月17七成员国和地区政府草签协议2006年年5月月25日，七个成员国和地区政府日，七个成员国和地区政府草签协议草签协议，建设国际热核聚变实验堆。建设国际热核聚变实验堆。目标目标：功率达：功率达50万千瓦小型万千瓦小型热核电站热核电站。 人类第一次在地球上获得持续的，有大量核聚变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。反应的热电站。2035年（年（如果试验顺利）开始建设第一个如果试验顺利）开始建设第一个示范性示范性核聚变发电站核聚变发电站
26、2055年年左右完成左右完成商业核聚变发电站的建设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。能源的愿望将有可能成为现实。39谢谢你的阅读2019年10月17ITER计划正式签署、生效并实施2006年年11月月22日日 ，中国、欧盟、印度、日本、韩，中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国国、俄罗斯和美国7方代表在法国方代表在法国正式签署正式签署了该计了该计划的联合实施协定，标志着这个开发新能源的重划的联合实施协定，标志着这个开发新能源的重大科学计划进入实施阶段。大科学计划进入实施阶段。ITER建在法国
27、，建在法国， 项目预计持续项目预计持续35年，建造期年，建造期10年，年，开发利用阶段开发利用阶段20年，退役期年，退役期5年，总费用约为年，总费用约为50亿亿美元，欧盟承担美元，欧盟承担40%的费用，其余的费用，其余6方分别承担方分别承担10%，这是历史上总投入仅次于国际空间站的第，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。二大国际科技合作项目。经各国议会批准后，协议正式生效。今年经各国议会批准后，协议正式生效。今年10月月24日欧盟委员会宣布，日欧盟委员会宣布，ITER合作协定当天正式开始合作协定当天正式开始实施，同时实施，同时“国际热核实验反应堆国际热核实验反应堆”组织（
28、组织（ITER Organization）当天也正式成立。）当天也正式成立。40谢谢你的阅读2019年10月17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显示我们在重大科学领域中的大国地位，表示中国，表示中国人民为人类发展做贡献。人民为人类发展做贡献。积累经验、培养人才积累经验、培养人才，在比较短的时间内，使我们，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进程聚变能源开发的进程参加参加ITER计划现实意义，能够得到近期的回报计划现实意义，能够得到近期的回报 因为我们国家在因为我们国家在ITE
29、R建造过程中要负担大约建造过程中要负担大约40多多亿人民币，其中有亿人民币，其中有80%可以用国内制造的实物和设可以用国内制造的实物和设备来支付。备来支付。 我国分工负责的部分中有很多都是核反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。应堆计划的核心项目。通过实物的研制、可大大提通过实物的研制、可大大提高国内企业的技术能力和国际竞争力高国内企业的技术能力和国际竞争力.41谢谢你的阅读2019年10月17ITER的设计参数与指标42谢谢你的阅读2019年10月17ITER模型43谢谢你的阅读2019年10月17ITER的主要设计参数 大半径：大半径：6.2m 小半径：小半径：2.0m 等离子体电流：等离子体电流：15MA 环向磁场：环向磁场：5.3T 能量增益因子能量增益因子 ： QDT10 聚变功率：聚变功率： 50万千瓦万千瓦 燃烧持续时间：燃烧持续时间：400s (3000s) 总投资：总投资：45.7亿美圆亿美圆44谢谢你的阅读2019年10月17ITER等离子体45谢谢你的阅读2019年10月17 对ITER计划的胜利实施、实现核聚变能为人类造福，我们充满信心； 在不远的将来，将一劳永逸地解决人类生存发展的能源，我们充满希望。 46谢谢你的阅读2019年10月17谢谢！47谢谢你的阅读2019年10月17
