核聚變方式及裝置、原理介紹

1、13SP02340600核工程概論及實踐課程設計核聚變裝置原理及結(jié)構(gòu)梳理學號姓名院系專業(yè)完成日期設計類型得分摘要核聚變作為正在研究中的新能源，除了托卡馬克裝置以外還有包括仿星器、磁鏡、反向箍縮和球馬克在內(nèi)的其它磁性約束裝置；此外還有激光點火的慣性約束方案。本文主要介紹以上方案的原理和裝置結(jié)構(gòu)，由于接觸時間有限，不對相關(guān)技術(shù)進行評價。關(guān)鍵詞：核聚變；托卡馬克；仿星器；磁鏡；反向箍縮；慣性約束II目錄摘要I第一章 托卡馬克裝置結(jié)構(gòu)及原理11.1 約束的含義11.2 托卡馬克中磁約束的基本原理11.3托卡馬克系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)21.4 本章小結(jié)4第二章 其他磁性約束方式52.1 仿星器52.2 磁鏡52.3

2、 反向箍縮62.4 本章小結(jié)6第三章 慣性約束方式原理73.1 慣性約束的原理和實現(xiàn)73.1.1 慣性約束的原理73.1.2 實現(xiàn)手段73.2 慣性約束聚變堆方案83.3 本章小結(jié)8參考文獻9第一章 托卡馬克裝置結(jié)構(gòu)及原理托卡馬克裝置作為上世紀六、七十年代以來一直占據(jù)核聚變研究中心的聚變裝置，目前在所有方案中取得的成果最為突出，如等離子體溫度最高，（脈沖）功率最大，最先實現(xiàn)全超導等等，當然這得益于許多科學家的奉獻和更多資金的投入?？偟膩碚f，盡管所有方案離商用發(fā)電都很遙遠，但托卡馬克是目前來看最有前途的聚變裝置。1.1 約束的含義核聚變必須使聚變材料的溫度、密度和這種高溫高壓狀態(tài)維持的時間（約束

3、時間）的乘積滿足勞森判據(jù)才能實現(xiàn)。由于核聚變反應溫度超高，即使最容易的氚-氘反應也要求反應溫度大于5000萬度才能大量進行；此時的核材料呈現(xiàn)為物質(zhì)第四態(tài)等離子態(tài)。圖1-1 日冕中的等離子體等離子體是宇宙中很常見的物質(zhì)形態(tài)，如太陽就是有等離子態(tài)的物質(zhì)組成的，只不過如圖1-1中日冕中等離子體溫度為幾千度，而聚變堆中由于體積限制，要求溫度達到上億度。為了維持這類極高溫的等離子體不消散掉，就需要各種各樣非接觸式的方法。首先想到的方法就是利用電磁場來約束帶電的等離子體，而第二種方法則利用激光推動核材料聚集。1.2 托卡馬克中磁約束的基本原理圖1-2是ITER項目公布的托卡馬克設計圖，可以看到反應腔內(nèi)等離

4、子體截面呈“D”形，這是后期等離子體位形仿真設計和實驗的結(jié)果，但這里不做介紹了。圖1-2 托卡馬克裝置托卡馬克裝置擁有一套環(huán)形線圈，內(nèi)部通過很大的電流用來提供強大的環(huán)向磁場；此外內(nèi)部等離子體環(huán)向（定向）高速運動產(chǎn)生高達幾百萬安培的環(huán)向電流提供一個極向的磁場。這樣這兩個磁場疊加起來成為一個螺旋形的磁場，其磁場強度高達T級別，可以將等離子體約束在直接十幾米的的反應腔里。帶電粒子在強磁場中運動會圍繞運動中心線高速的旋轉(zhuǎn)，由于電子的比荷遠比原子核高，所以磁場中的等離子體的運動可看做原子核環(huán)向運動（徑向半徑0.017cm），電子圍繞環(huán)中心線螺旋運動（徑向半徑1.7cm）。這樣以來，就可以利用磁場約束超高

5、溫等離子體了。但實驗過程中由于線圈電流非常大，能量供應、散熱等都是非常大的問題，因此后來又出現(xiàn)了超導托卡馬克、全超導托卡馬克，利用超導現(xiàn)象來維持線圈中的強大電流。1.3托卡馬克系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1-3，托卡馬克裝置發(fā)電的基本原理就是在等離子體周圍設置氚增殖層，增殖層主要由鋰元素（Li-6）組成，在增殖層還設置了傳熱系統(tǒng)將等離子體輻射熱量以及增殖層核反應熱量取出帶到外部供發(fā)電使用。圖1-3 托卡馬克聚變-發(fā)電裝置托卡馬克的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單，只有一套線圈系統(tǒng)，且可以設置為超導線圈，環(huán)結(jié)構(gòu)使其不需要考慮等離子體終端散失的問題。正是因為這些優(yōu)點，世界上有大大小小兩百多個托卡馬克裝置。但是托卡馬克的缺點也很

6、突出，由于其需要維持強大的環(huán)向電流，而等離子體的波動造成這種高能狀態(tài)很難維持，很容易發(fā)生大破裂事故。這里只介紹用以緩解這種破缺的裝置偏濾器。圖1-3 偏濾器圖1-3為ITER中偏濾器設計圖，其內(nèi)表面有耐高溫的涂層，其安裝位置正好是等離子體“泄露”的方向。偏濾器一方面用來防止大破裂的發(fā)生，另一方面用于將反應堆中產(chǎn)生的氦灰等雜志排出反應腔。在各種裝置的共同維持下，目前托卡馬克已經(jīng)可以維持10MW級別的等離子體傳達半小時級別時長；但這樣的時間里推廣使用還很遙遠。1.4 本章小結(jié)托卡馬克裝置單線圈貢獻磁場、環(huán)形結(jié)構(gòu)的特點使其建造相對簡單，但是正是由于這種簡單使其難以維持穩(wěn)態(tài)，本章主要介紹了托卡馬克磁約

7、束原理和裝置結(jié)構(gòu)。目前先進的托卡馬克已經(jīng)采用非對稱的位形結(jié)構(gòu)，但這方面本章在這方面沒做深入。9第二章 其他磁性約束方式2.1 仿星器仿星器與托卡馬克最大的差異就是仿星器有兩套線圈，等離子體所處空間的極向磁場和徑向磁場都是由外部線圈提供的，這種設計使得仿星器內(nèi)部沒有托卡馬克一般的強大電流存在。仿星器通過磁場的扭曲來維持約束下的等離子體不向外消散。早期的仿星器呈現(xiàn)“8”字結(jié)構(gòu)，通過自身結(jié)構(gòu)的扭曲實現(xiàn)磁場扭曲；隨著計算科學的進步，復雜位形仿真計算成為可能。如圖2-1，仿星器位形極為復雜，制造工藝要求非常高；也正是因為這個原因，早期的復雜位形仿星器實驗都非常不成功，以至于很多科學家開始懷疑仿星器的可行

8、性。圖2-1 仿星器位形但隨著制造工藝進步，一批中型仿星器實驗獲得了與同規(guī)模托卡馬克裝置同等參數(shù)的等離子體。而且由于設計時就考慮了避免等離子體大破裂，仿星器可以長時間的維持高溫等離子體。德國的W-7X最近就取得了5000萬度、30分鐘維持時間的好成績。2.2 磁鏡磁鏡屬于直線型磁約束聚變裝置。其利用電磁感應現(xiàn)象使等離子體被約束在兩個巨大的電磁環(huán)之間來回運動。這種方式擁有非常簡單的結(jié)構(gòu)和位形，因此等離子體早期研究時，這種方法收到了很大的重視。但是由于等離子體的量子效應，等離子體會從線圈兩端溢出造成等離子體消散，導致難以約束等離子體足夠長的時間來加熱等離子體達到核反應溫度。圖2-2 磁鏡原理示意圖

9、為了減少等離子體消散，技術(shù)人員又設計了串聯(lián)的磁鏡系統(tǒng)，用多級磁鏡來減少越過邊界的等離子體，但這種方法能減少的耗散并不理想。另一種想法是將磁鏡串聯(lián)起來成為環(huán)形結(jié)構(gòu)，但這種方法由于性能難以達到高溫等離子體的要求，基本上所有研究都已經(jīng)停止了。2.3 反向箍縮反向箍縮，也叫反場箍縮，與托卡馬克一樣都屬于環(huán)形磁約束裝置，但其q值小于1，這就決定了其不可能作為聚變堆方案，事實上歐盟也早就把它排除在聚變堆備選方案之外。但其可以低成本的維持等離子體，可用于研究尚未深入探索的等離子體，所以其發(fā)展一直受到重視。其原理與托卡馬克類似，我們知道同向電流相互吸引，異向電流互相排斥；方向箍縮就利用這個原理，環(huán)形腔內(nèi)電流方

10、向一致，由于吸引等離子體；外部有螺旋狀的反向電流，用于排斥等離子體。同時，方向箍縮也借鑒仿星器非對稱先進位形的理念來防止大破裂的產(chǎn)生，但與托卡馬克一樣都難以達到仿星器的水平。2.4 本章小結(jié)本章介紹了托卡馬克以外的幾種磁約束核聚變方案，但介紹僅就位形、結(jié)構(gòu)和功能來介紹，關(guān)于其具體的等離子體加熱技術(shù)等都沒有做深入的探討。值得說明的是除了以上裝置外，球馬克、仿星馬克等都是非常有前途實現(xiàn)可持聚變的磁約束裝置。第三章 慣性約束方式原理3.1 慣性約束的原理和實現(xiàn)3.1.1 慣性約束的原理慣性約束的基本理念就是憑借等離子體的密度提高來補充約束時間的的不足。其原理就是將核反應材料短時間的壓縮為高密度、高溫

11、度的狀態(tài)來引發(fā)核聚變反應。其溫度、壓力和密度與磁約束的差異見表3-1。表3-1 磁約束與慣性約束磁約束慣性約束T/keV1010n/(1/)p/bar10由表可見慣性約束的壓縮難度要比磁約束難度高很多，但由于密度的提高，約束時間就可以下降到很短的時間里，即這種方式的點火可以通過脈沖形式達到。3.1.2 實現(xiàn)手段激光點火激光點火是目前比較現(xiàn)實的點火方案，比較有名的是美國的國家點火裝置；這種方法通過將多到高功率激光照射到半徑幾毫米的燃料小球上，使小球周圍產(chǎn)生均勻的反推力壓縮核心的DT氣體，產(chǎn)生核反應。表3-1 激光點火直接驅(qū)動法而激光點火也分為直接驅(qū)動和間接驅(qū)動。直接驅(qū)動是指直接將激光束照射到靶丸

12、上。這種方法效率高、運行可靠；但要求激光束均勻的照射到靶丸表面。一旦照射不均勻很容易造成靶殼破壞，燃料利用不充分。如圖3-1，間接點火通過將靶丸懸浮在一個小腔里，激光從小腔照在腔壁上。腔壁上物質(zhì)吸收激光能量后，產(chǎn)生軟X射線，X射線會禁錮在腔內(nèi)，這樣小球就可以被均勻壓縮。但這種方法產(chǎn)生的等離子體參數(shù)不穩(wěn)定，效率也比較低。3.2 慣性約束聚變堆方案慣性約束聚變堆為保證穩(wěn)定出力，需要在內(nèi)部進行每秒幾Hz的小型核爆炸來產(chǎn)生持續(xù)不斷的熱量。通過頻繁的爆炸作為鍋爐熱源，這一過程需要能夠連續(xù)不斷的進行激光點火，而目前的技術(shù)只能達到間隔五小時左右再次點火，并且配套的鍋爐設施也沒有相關(guān)研究。正是由于慣性約束類似“核爆炸”的這種屬性導致很多大國都在這方面投入大量資金，借此在研究室內(nèi)模擬核武器爆炸。3.3 本章小結(jié)慣性約束由于“核爆炸”屬性，相關(guān)公