受控核聚变于等离子体物理学课件.ppt
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- 受控 聚变 等离子体 物理学 课件
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1、1 1SWIP核聚变能源开发的进展与展望核工业西南物理研究院潘 传 红2010年3月2 2SWIP报 告 内 容 第一部分第一部分 等离子体的基本属性 第二部分第二部分 受控受控核聚变一般原理介绍 第三部分第三部分 等离子体物理学与核聚变工程技术研究进展 第四部分第四部分 热核工程技术与示范堆、商用堆3 3SWIP一、等离子体的基本属性物质第四态,物质存在的基本形态;物质第四态,物质存在的基本形态;宏观电中性和微观电荷分离,电荷分离只存在于很小的线度宏观电中性和微观电荷分离,电荷分离只存在于很小的线度(德拜长度德拜长度)内,这种自屏蔽效应称为内,这种自屏蔽效应称为“德拜屏蔽德拜屏蔽”;带电粒子
2、(受长程库仑力支配)构成的多粒子体系,连续带电粒子(受长程库仑力支配)构成的多粒子体系,连续 电电 磁流磁流 体体(简称(简称“磁流体磁流体”),色散电介质;),色散电介质;单个带电粒子在外电磁场中的运动形态为单个带电粒子在外电磁场中的运动形态为“轨道运动轨道运动”,而等离子体,而等离子体整体则呈整体则呈“集体运集体运 动动”形态。不同形态。不同 于一般的流体力学系统于一般的流体力学系统(色散电介质色散电介质),等离子体等离子体“集体运集体运 动动”从模式到特征频率都异常复杂。只要存在从模式到特征频率都异常复杂。只要存在“自由自由能能”,某些集,某些集 体运动模式便会激发起来并传播开去体运动模
3、式便会激发起来并传播开去,发展成为发展成为“不稳定不稳定性性”。4 4SWIP一、等离子体的基本属性等离子体存在无穷多等离子体存在无穷多“自由度自由度”,每个,每个“自由度自由度”都象都象“窗口窗口”一样对一样对“扰动扰动”敞开,导致等离子体(力学系统)极易偏离(甚至远离)自己的平衡态,但也存在敞开,导致等离子体(力学系统)极易偏离(甚至远离)自己的平衡态,但也存在许多许多“渠道渠道”使其回到新的平衡态使其回到新的平衡态 。这一现象使等离子体。这一现象使等离子体 成为非线性科学研究的主成为非线性科学研究的主要对象之一。要对象之一。由于电子和离子热速度的差别,便在固体界面附近(德拜长由于电子和离
4、子热速度的差别,便在固体界面附近(德拜长 度线度度线度 内)形成负电内)形成负电位的位的“鞘层鞘层”。“鞘层鞘层”的概念是所有等离子体加工的基础的概念是所有等离子体加工的基础 ,由于,由于“鞘层鞘层”是由等是由等离子体离子体“自组织自组织”形成和维持的,人们只需要控制等离子体的外部宏观参数形成和维持的,人们只需要控制等离子体的外部宏观参数(气体种气体种类、工作气压、放电功率等),即可达到各种加工的目的。类、工作气压、放电功率等),即可达到各种加工的目的。由于带电组元(电子、离子)处于由于带电组元(电子、离子)处于“游离状态游离状态”,使等离子体中容易发生多种原,使等离子体中容易发生多种原子、分
5、子(如电离、复合、激发、退激、热解、裂解、离子合成、亚稳态电离、亚子、分子(如电离、复合、激发、退激、热解、裂解、离子合成、亚稳态电离、亚稳态复合、亚稳态及高激发态原子等)过程,这些过程通称稳态复合、亚稳态及高激发态原子等)过程,这些过程通称“等离子体活性等离子体活性”。在。在等离子体化工、等离子体涂层、等离子体聚合、等离子体结晶中有非常重要的意义。等离子体化工、等离子体涂层、等离子体聚合、等离子体结晶中有非常重要的意义。5 5SWIP二、受控核聚变一般原理介绍二、受控核聚变一般原理介绍 1 1、环境问题与核聚变能源、环境问题与核聚变能源 能源短缺和环境恶化是能源短缺和环境恶化是21世纪人类社
6、会面临的两大难题。目前世纪人类社会面临的两大难题。目前作为主要能源的石油、煤、天然气等储量有限,太阳能、生物作为主要能源的石油、煤、天然气等储量有限,太阳能、生物能、风能、水电等装机容量有限且受地域限制,化石能源燃烧能、风能、水电等装机容量有限且受地域限制,化石能源燃烧释放的温室气体使人类生存条件日益恶化,核能作为一种新型释放的温室气体使人类生存条件日益恶化,核能作为一种新型能源被世界各国关注。核裂变能在能源被世界各国关注。核裂变能在50年代已得到成功应用,但年代已得到成功应用,但存在放射性废物处理和铀资源储量问题。核聚变能以其资源无存在放射性废物处理和铀资源储量问题。核聚变能以其资源无限与洁
7、净,向人类展示了不可比拟的优势和前景。限与洁净,向人类展示了不可比拟的优势和前景。6 6SWIP二、受控核聚变一般原理介绍二、受控核聚变一般原理介绍1 1、环境问题与核聚变能源、环境问题与核聚变能源 核聚变能是宇宙间所有恒星(包括太阳)释放光和热的能源。核聚变能是宇宙间所有恒星(包括太阳)释放光和热的能源。聚变电站将首先利用氘氚聚变能。氘在海水中储量极为丰富,一升聚变电站将首先利用氘氚聚变能。氘在海水中储量极为丰富,一升海水里提取出的氘,释放的聚变能相当于燃烧海水里提取出的氘,释放的聚变能相当于燃烧300升汽油;氚可在反应堆升汽油;氚可在反应堆中通过锂再生,而锂在地壳和海水中都大量存在。中通过
8、锂再生,而锂在地壳和海水中都大量存在。人类开发核聚变能源经历了艰苦的历程。自人类开发核聚变能源经历了艰苦的历程。自20世纪世纪40年代末起,各年代末起,各国投入科学家及工程师上千人,总计经费每年超过国投入科学家及工程师上千人,总计经费每年超过10亿美元。人们对开亿美元。人们对开发聚变能源难度的认识也逐步深化,从发聚变能源难度的认识也逐步深化,从20世纪世纪70年代开始,原苏联科学年代开始,原苏联科学家提出的家提出的“托克马克托克马克”概念显示独特优势,成为磁约束核聚变研究的流。概念显示独特优势,成为磁约束核聚变研究的流。7 7SWIP二、受控核聚变一般原理介绍二、受控核聚变一般原理介绍1 1、
9、环境问题与核聚变能源、环境问题与核聚变能源 氘氚聚变释放的能量氘氚聚变释放的能量:氘和氚发生聚变后,氘核和氚核聚合生成1个氦核和1个中子,并释放17.6Mev(其中中子携带14.1MeV、氦核携带3.5MeV)的能量。氘氚聚变有5个核子参加反应,而铀235裂变有236个核子参加反应。如果按每个核子释放的能量比较,氘氚聚变释放的能量是铀235裂变释放的能量的4.14倍。受控核聚变的苛刻条件受控核聚变的苛刻条件:要求有上亿度的温度(足够高温度),以便原子核能够克服库仑力,充分靠近从而进入核力场的作用范围并发生核聚变反应;要求高温的聚变粒子不能太稀薄(较高密度),以便增加原子核之间碰撞的可能性;要求
10、能够将高温高密的聚变粒子约束足够长的时间(较长能量约束时间),以便有充分的时间发生核聚变反应。8 8SWIP二、受控核聚变一般原理介绍二、受控核聚变一般原理介绍氘氚核聚变原理氘氚核聚变原理9 9SWIP二、受控核聚变一般原理介绍二、受控核聚变一般原理介绍Plasmaself-heatingTritiumreplenishmentLiElectricityHydrogen1010SWIP二、受控核聚变一般原理介绍二、受控核聚变一般原理介绍托卡托卡马克装置示意图马克装置示意图2 2、磁约束受控核聚变、磁约束受控核聚变1111SWIP二、受控核聚变一般原理介绍二、受控核聚变一般原理介绍2 2、磁约束
11、受控核聚变、磁约束受控核聚变(1 1)“聚变等离子体物理学聚变等离子体物理学”研究的目标:研究的目标:验证受控核聚变的科学可行性验证受控核聚变的科学可行性1212SWIP二、受控核聚变一般原理介绍二、受控核聚变一般原理介绍2 2、磁约束受控核聚变、磁约束受控核聚变(2 2)“聚变等离子体物理学聚变等离子体物理学”研究的范围研究的范围(A)约束与输运研究约束与输运研究(B)(电电)磁流体不稳定性研究(磁流体不稳定性研究(重点研究对未来聚变堆有重大影响的等离子体破裂、新经典撕等离子体破裂、新经典撕 裂模、裂模、电阻壁电阻壁 模和边沿局部模)模和边沿局部模)(C)高能粒子行为研究高能粒子行为研究 通
12、过以上三方面的研究,验证“先进托卡马克运行模式先进托卡马克运行模式”(ITER的科学基础):高约束模高约束模。通过抑制等离子体不稳定性(导致反常输运的集体运式)、优化和控制等离子体位形、建立大尺度输运垒,实现高性能约束模式(高能量约束时间),以及高约束模式下的等离子体物理学问题究;高功率密度高功率密度。通过二级加热提高和维持等离子体功率密度(高经济性能),及大功率二级加热条件下的等离子体物理学问题研究;高额自举电流高额自举电流。产生和维持高额自举电流(是维持聚变堆稳态运行的必要条件),及高额自举电流条件下等离子体物理学问题研究。1313SWIP二、受控核聚变一般原理介绍二、受控核聚变一般原理介
13、绍2 2、磁约束受控核聚变、磁约束受控核聚变(2 2)“聚变等离子体物理学聚变等离子体物理学”研究的范围研究的范围(D)先进偏滤器概念及偏滤器物理研究先进偏滤器概念及偏滤器物理研究 包括刮离层物理、粒子的能量及粒子排出、等离子体与器壁相互作用、器壁对燃料粒子的化学吸附及解吸、器壁杂质粒子的溅射及其对芯部的影响等(E)稳态燃烧等离子体物理学(稳态燃烧等离子体物理学(包括 粒子自加热,这是这是ITER的科学目标)的科学目标)1414SWIP二、受控核聚变一般原理介绍二、受控核聚变一般原理介绍2 2、磁约束受控核聚变、磁约束受控核聚变(3 3)“聚变等离子体物理学聚变等离子体物理学”研究的方法研究的
14、方法三大理论体系基础:色散介质电动力学、等离子体统计力学、(电)磁流体力学三大理论体系基础:色散介质电动力学、等离子体统计力学、(电)磁流体力学发展先进诊断技术,开展等离子体物理实验研究发展先进诊断技术,开展等离子体物理实验研究开发计算机软件平台,开展数值模拟和(计算机)仿真实验。开发计算机软件平台,开展数值模拟和(计算机)仿真实验。1515SWIP二、受控核聚变一般原理介绍二、受控核聚变一般原理介绍2 2、磁约束受控核聚变、磁约束受控核聚变(4 4)“聚变等离子体物理学聚变等离子体物理学”实验研究实验研究等离子体电磁学参数、热力学参数、流体力学参数、杂质等离子体电磁学参数、热力学参数、流体力
15、学参数、杂质(有效有效Z)、装置及其附属系装置及其附属系统运行参数实验观测;统运行参数实验观测;等离子体涨落量测量、磁流体(等离子体涨落量测量、磁流体(MHD)不稳定性不稳定性“特征特征”研究及其控制方法研究;研究及其控制方法研究;等离子体等离子体“宏观流宏观流”(表征等离子体由(表征等离子体由“无序无序”走向走向“有序有序”因而相应的不稳定性被因而相应的不稳定性被抑制)实验研究;抑制)实验研究;等离子体二级加热、电流驱动及等离子体电流剖面控制实验研究;等离子体二级加热、电流驱动及等离子体电流剖面控制实验研究;等离子体加料及密度剖面控制实验研究;等离子体加料及密度剖面控制实验研究;等离子体输运
16、行为实验研究等。等离子体输运行为实验研究等。1616SWIP二、受控核聚变一般原理介绍二、受控核聚变一般原理介绍2 2、磁约束受控核聚变、磁约束受控核聚变(5 5)“等离子体相关技术等离子体相关技术”研究领域研究领域磁体技术、特殊供电与控制技术磁体技术、特殊供电与控制技术;等离子体二级加热及电流驱动技术等离子体二级加热及电流驱动技术(微波技术、中性粒子束技术微波技术、中性粒子束技术);先进诊断技术先进诊断技术(电磁测量、粒子质谱/能谱测量、微波测量、热辐射测量、激光测量、光谱分析、X射线测量、核测量等 30多种先进诊断技术);(面对等离子体面对等离子体)第一壁处理及杂质控制技术第一壁处理及杂质
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