核聚變方式及裝置原理介紹

1、13SP02340600核工程概論及實(shí)踐課程設(shè)計(jì)核聚變裝置原理及結(jié)構(gòu)梳理學(xué)號(hào)姓名院系專(zhuān)業(yè)完成日期設(shè)計(jì)類(lèi)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(diǎn)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(shí)間有限，不對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。關(guān)鍵詞：核聚變；托卡馬克；仿星器；磁鏡；反向箍縮；慣性約束目錄摘要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 反

2、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(shí)現(xiàn)73.1.1 慣性約束的原理73.1.2 實(shí)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(xiàn)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(jì)六、七十年代以來(lái)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(shí)現(xiàn)全超導(dǎo)等等，當(dāng)然這得益于許多科學(xué)家的奉獻(xiàn)和更多資金的投入。總的來(lái)說(shuō)，盡管所有方案離商用發(fā)電都很遙遠(yuǎn)，但托卡馬克是目前來(lái)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(shí)間（約束時(shí)間

3、）的乘積滿(mǎn)足勞森判據(jù)才能實(shí)現(xiàn)。由于核聚變反應(yīng)溫度超高，即使最容易的氚-氘反應(yīng)也要求反應(yīng)溫度大于5000萬(wàn)度才能大量進(jìn)行；此時(shí)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(jiàn)的物質(zhì)形態(tài)，如太陽(yáng)就是有等離子態(tài)的物質(zhì)組成的，只不過(guò)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(dá)到上億度。為了維持這類(lèi)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(chǎng)來(lái)約束帶電的等離子體，而第二種方法則利用激光推動(dòng)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(xiàng)目公布的托卡馬克設(shè)計(jì)圖，可以看到反應(yīng)腔內(nèi)等離子體

4、截面呈“D”形，這是后期等離子體位形仿真設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)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(guò)很大的電流用來(lái)提供強(qiáng)大的環(huán)向磁場(chǎng)；此外內(nèi)部等離子體環(huán)向（定向）高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生高達(dá)幾百萬(wàn)安培的環(huán)向電流提供一個(gè)極向的磁場(chǎng)。這樣這兩個(gè)磁場(chǎng)疊加起來(lái)成為一個(gè)螺旋形的磁場(chǎng)，其磁場(chǎng)強(qiáng)度高達(dá)T級(jí)別，可以將等離子體約束在直接十幾米的的反應(yīng)腔里。帶電粒子在強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)會(huì)圍繞運(yùn)動(dòng)中心線高速的旋轉(zhuǎn)，由于電子的比荷遠(yuǎn)比原子核高，所以磁場(chǎng)中的等離子體的運(yùn)動(dòng)可看做原子核環(huán)向運(yùn)動(dòng)（徑向半徑0.017cm），電子圍繞環(huán)中心線螺旋運(yùn)動(dòng)（徑向半徑1.7cm）。這樣以來(lái)，就可以利用磁場(chǎng)約束超高溫等

5、離子體了。但實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于線圈電流非常大，能量供應(yīng)、散熱等都是非常大的問(wèn)題，因此后來(lái)又出現(xiàn)了超導(dǎo)托卡馬克、全超導(dǎo)托卡馬克，利用超導(dǎo)現(xiàn)象來(lái)維持線圈中的強(qiáng)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?chē)O(shè)置氚增殖層，增殖層主要由鋰元素（Li-6）組成，在增殖層還設(shè)置了傳熱系統(tǒng)將等離子體輻射熱量以及增殖層核反應(yīng)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(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只有一套線圈系統(tǒng)，且可以設(shè)置為超導(dǎo)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(wèn)題。正是因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)，世界上有大大小小兩百多個(gè)托卡馬克裝置。但是托卡馬克的缺點(diǎn)也很突出

6、，由于其需要維持強(qiáng)大的環(huán)向電流，而等離子體的波動(dòng)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(shè)計(jì)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(lái)防止大破裂的發(fā)生，另一方面用于將反應(yīng)堆中產(chǎn)生的氦灰等雜志排出反應(yīng)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(jí)別的等離子體傳達(dá)半小時(shí)級(jí)別時(shí)長(zhǎng)；但這樣的時(shí)間里推廣使用還很遙遠(yuǎn)。1.4 本章小結(jié)托卡馬克裝置單線圈貢獻(xiàn)磁場(chǎng)、環(huán)形結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)使其建造相對(duì)簡(jiǎn)單，但是正是由于這種簡(jiǎn)單使其難以維持穩(wěn)態(tài)，本章主要介紹了托卡馬克磁約束原

7、理和裝置結(jié)構(gòu)。目前先進(jìn)的托卡馬克已經(jīng)采用非對(duì)稱(chēng)的位形結(jié)構(gòu)，但這方面本章在這方面沒(méi)做深入。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(chǎng)和徑向磁場(chǎng)都是由外部線圈提供的，這種設(shè)計(jì)使得仿星器內(nèi)部沒(méi)有托卡馬克一般的強(qiáng)大電流存在。仿星器通過(guò)磁場(chǎng)的扭曲來(lái)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(guò)自身結(jié)構(gòu)的扭曲實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)扭曲；隨著計(jì)算科學(xué)的進(jìn)步，復(fù)雜位形仿真計(jì)算成為可能。如圖2-1，仿星器位形極為復(fù)雜，制造工藝要求非常高；也正是因?yàn)檫@個(gè)原因，早期的復(fù)雜位形仿星器實(shí)驗(yàn)都非常不成功，以至于很多科學(xué)家開(kāi)始懷疑仿星器的可行性。圖

8、2-1 仿星器位形但隨著制造工藝進(jìn)步，一批中型仿星器實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)時(shí)就考慮了避免等離子體大破裂，仿星器可以長(zhǎng)時(shí)間的維持高溫等離子體。德國(guó)的W-7X最近就取得了5000萬(wàn)度、30分鐘維持時(shí)間的好成績(jī)。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(yīng)現(xiàn)象使等離子體被約束在兩個(gè)巨大的電磁環(huán)之間來(lái)回運(yùn)動(dòng)。這種方式擁有非常簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和位形，因此等離子體早期研究時(shí)，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(yīng)，等離子體會(huì)從線圈兩端溢出造成等離子體消散，導(dǎo)致難以約束等離子體足夠長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)加熱等離子體達(dá)到核反應(yīng)溫度。圖2-2 磁鏡原理示意圖為了減

9、少等離子體消散，技術(shù)人員又設(shè)計(jì)了串聯(lián)的磁鏡系統(tǒng)，用多級(jí)磁鏡來(lái)減少越過(guò)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(lái)成為環(huán)形結(jié)構(gòu)，但這種方法由于性能難以達(dá)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(chǎng)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(shí)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(lèi)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(gè)原理，環(huán)形腔內(nèi)電流方向一致

10、，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(shí)，方向箍縮也借鑒仿星器非對(duì)稱(chēng)先進(jìn)位形的理念來(lái)防止大破裂的產(chǎn)生，但與托卡馬克一樣都難以達(dá)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(lái)介紹，關(guān)于其具體的等離子體加熱技術(shù)等都沒(méi)有做深入的探討。值得說(shuō)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(shí)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(shí)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(lái)補(bǔ)充約束時(shí)間的的不足。其原理就是將核反應(yīng)材料短時(shí)間的壓縮為高密度、高溫度的狀

11、態(tài)來(lái)引發(fā)核聚變反應(yīng)。其溫度、壓力和密度與磁約束的差異見(jiàn)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(jiàn)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(shí)間就可以下降到很短的時(shí)間里，即這種方式的點(diǎn)火可以通過(guò)脈沖形式達(dá)到。3.1.2 實(shí)現(xiàn)手段激光點(diǎn)火激光點(diǎn)火是目前比較現(xiàn)實(shí)的點(diǎn)火方案，比較有名的是美國(guó)的國(guó)家點(diǎn)火裝置；這種方法通過(guò)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?chē)a(chǎn)生均勻的反推力壓縮核心的DT氣體，產(chǎn)生核反應(yīng)。表3-1 激光點(diǎn)火直接驅(qū)動(dòng)法而激光點(diǎn)火也分為直接驅(qū)動(dòng)和間接驅(qū)動(dòng)。直接驅(qū)動(dòng)是指直接將激光束照射到靶丸上。這

12、種方法效率高、運(yùn)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(diǎn)火通過(guò)將靶丸懸浮在一個(gè)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(huì)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(jìn)行每秒幾Hz的小型核爆炸來(lái)產(chǎn)生持續(xù)不斷的熱量。通過(guò)頻繁的爆炸作為鍋爐熱源，這一過(guò)程需要能夠連續(xù)不斷的進(jìn)行激光點(diǎn)火，而目前的技術(shù)只能達(dá)到間隔五小時(shí)左右再次點(diǎn)火，并且配套的鍋爐設(shè)施也沒(méi)有相關(guān)研究。正是由于慣性約束類(lèi)似“核爆炸”的這種屬性導(dǎo)致很多大國(guó)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)公開(kāi)