核聚變知識概述

一、核聚變概述1.核聚變〔磁約束〕簡史1) “史前時期“(1920-1942)對聚變能量的爭論最早可以追溯到20世紀20年月。在那時，物理學(xué)家英國化學(xué)家阿斯頓〔Aston，1877～1945〕就已經(jīng)測量了氦元素的“質(zhì)量損失“現(xiàn)象：當(dāng)時，阿斯頓正在劍橋卡文迪許試驗室，利用他所創(chuàng)制的攝譜儀從事同位素的爭論。試驗中他覺察，氦-4質(zhì)量比組成氦的4個氫原子質(zhì)量之和少約1%左右。幾乎在同一時期，盧瑟福也提出，能量足夠大的輕核碰撞后，可能發(fā)生聚變反響。1920〔Eddington，SirArthurStanley1882～194〕1929〔deAtkinson，R.〕〔Houtersman，核聚變反響。1934年，澳大利亞物理學(xué)家奧利芬特〔Oliphant，MarcusLaurenceElwin1901～〕用氘轟擊氘，生成一種具有放射性的同位素氚，第一個人工實現(xiàn)了D-D核聚變反響。1938年美國就開頭進展將等離子氣體約束在磁場中的試驗。1942年，美國普渡大學(xué)的施萊伯〔Schreiber〕和金〔King〕又首次實現(xiàn)了D-T核反響。二戰(zhàn)期間，美國洛斯阿拉莫斯試驗室在研制原子彈的同時，也進展了早期核聚變反響的系統(tǒng)爭論。二戰(zhàn)完畢后，英國與前蘇聯(lián)也隱秘地開展了受控核聚變研究工作?！?94810195081582082948〕然而，實現(xiàn)這一目標卻困難重重。僅以D-D反響為例，氘核帶正電，發(fā)生聚變反響必需抑制庫侖斥力，使兩核接近到核子間距離，必需具備10keV以上的能量。假設(shè)用加速氘核，再使其轟擊含氘的固體靶，加速氘核的絕大局部能量將損失在與電子碰撞的散射之中。還有人提出用兩束高能氘核對撞實現(xiàn)聚變。這種想法很快被證明是行不通的，由于氘核在束中的平均自由程很大，兩束氘核幾乎是完全透亮的。要使氚束有足夠的碰撞，氘核束的密度必需很高，然而密度極高的氘核束很難獲得，即使成功地制備了這種高密度氘核束，在氘核的互撞中，不行避開的屢次庫侖散射，將使偏轉(zhuǎn)角90°，而使氘核偏轉(zhuǎn)離開原有的束流散失殆盡。在這種狀況下，人們很自然地想到了無規(guī)章的熱運動。假設(shè)設(shè)法將一團氘核約束在一起，并加熱使其到達足夠的溫度，核間頻繁地碰撞，可望有核聚變發(fā)生。2)先行者的時代(1946-1958)1952年，美國用原子彈爆炸的方法產(chǎn)生高溫，第一次實現(xiàn)了大量氘、氚材料的核聚變。但這種方法的效果是，在極短時間內(nèi)使核聚變釋放出巨大能量，產(chǎn)生猛烈爆炸，即氫彈爆炸。人類要和平利用核聚變，必需是可以受人工掌握的核聚變---人工受控核聚變。核聚變反響比較切實可行的掌握方法是，通過掌握核聚變?nèi)剂系膮⒓铀俣燃懊恳淮蔚膮⒓恿?，使核聚變反響按肯定的?guī)模連續(xù)或有節(jié)奏地進展。因此，核聚變裝置中的氣體密度要很低，只能相當(dāng)于常溫常壓下氣體密度的幾萬分之一。另外，對能量的約束要有足夠長的時間。二戰(zhàn)末期，前蘇聯(lián)和美、英各國曾出于軍事上的考慮，始終在相互保密的狀況下開展對核聚變的爭論。幾千萬、幾億攝氏度高溫的聚變物質(zhì)裝在什么容器里一直是困擾人們的難題，但不約而同都想到了利用磁場，嘗試各種磁場約束形式。二戰(zhàn)完畢后，爆發(fā)了核爭論的國際性浪潮。1946年，發(fā)生一個著名的大事：倫敦大學(xué)的Thomson和Blackman申請了一個聚變反響堆的專利施總體上說過于樂觀，但已經(jīng)提出了一個環(huán)型真空室，以及由射頻波產(chǎn)生的電流，而這正是現(xiàn)代的托卡馬克裝置的兩個重要基石。〔上圖，1946ThomsonBlackman申請的“反響堆“專利〕1946Thoneman所的磁約束裝置。裝置由金屬和玻璃制成的圓環(huán),Clarendon試驗室50年月，冷戰(zhàn)期德國和日本在1955年稍晚的時候也參加了進來。3)(1958-1968)經(jīng)過了二十多年的努力，遠未到達當(dāng)時的樂觀期望，理論上估量的等離子體約束時間與試驗結(jié)果相差甚遠。人們開頭生疏到核聚變問題的簡單和爭論的困難。在這種狀況下，蘇、美等國感到保密不利于爭論的進展，只有開展國際學(xué)術(shù)溝通，才能推動核聚變的深入爭論。另外，磁約束核聚變與熱核武器在科學(xué)技術(shù)上沒有重大的重疊，而且其商業(yè)應(yīng)用的競爭為時尚早。1958年是受控核聚變歷史上的一個重要轉(zhuǎn)折點“和平利用原子能“會議，會議上揭開了隱秘爭論的面紗,各個國家報告了他們所工作的磁場位形：環(huán)型脈沖，仿星器，磁鏡，Z和箍束。此時，爭論工作為磁約束裝奠定了根底，如同前蘇聯(lián)物理學(xué)家Artsimovitch〔阿奇莫維奇〕在會議閉幕時的致詞：“曙光消滅“。物理學(xué)家們同時也意識到由于等離子體不穩(wěn)定性，磁場約束損失等等，把握核聚變技術(shù)成為一件很困難的事情。物理學(xué)家E.Teller說：“我想(受控核聚變)或許能做到不認為在這個世紀它會有實際的重要性“。自這次會議后，爭論重點轉(zhuǎn)向高溫等離子體的根底問題。4) 托卡馬克時代(1968－)50〔Tamm，IgorYavgenyevich1895～1971〕就曾提出用環(huán)形強磁場約束高溫等離子體的設(shè)想。他認為，把強電流產(chǎn)生的極向磁場與環(huán)形磁場相結(jié)合，可望實現(xiàn)高溫等離子體的磁約束。阿奇莫維受到這一思想的啟發(fā)，莫斯科庫爾恰托夫爭論所的前蘇聯(lián)物理學(xué)家阿奇莫維奇〔ArtisimovichLevAndreevich1909～1973〕開頭了這一裝置的爭論。1954年，第一個托卡馬克裝置在前蘇聯(lián)庫爾恰托夫原子能爭論所建成。他們在環(huán)形陶瓷真空室外套有多匝線圈，利用電容器放電，使真空室形成環(huán)形磁場。與此同時，用變壓器放電，使等離子體電流產(chǎn)生極向磁場。后來，利用不銹鋼真空室代替陶瓷真空室，又改進了線圈的工藝，增加了匝數(shù)，改進了磁場位形，最終成功地建成了托卡馬克裝置。托卡馬克這一名稱由阿奇莫維奇命名。托卡馬克TOKAMAK俄語個詞縮寫組成〔環(huán)形toroidal、真空室kmera)、磁magnit、線圈kotushka)。〔上圖，莫斯科Kurchatov爭論所的T1Tokamak裝置〕1968年，Kurchatov〔庫爾恰托夫〕爭論所的科學(xué)家公布了托卡馬克〔T1〕的試驗結(jié)果，其結(jié)果遠超其它裝置的參數(shù)指標。1969年一個英國小組前往莫斯科，測T3托卡馬克裝置的溫度，確定了他們的成果。此時冷戰(zhàn)正酣，這一里程碑式的大事開啟了其他國家的托卡馬克時代。他們紛紛將自己試驗室的磁約束裝置轉(zhuǎn)換為磁約束裝置。〔美國普林斯頓大學(xué)由仿星器-C改建成的STTokamak，美國橡樹嶺國家試驗室的奧羅茲爭論所的TFRTokama，英國卡拉姆試驗室的克利奧西德馬克斯-PulsatorTokamak〕但人們很快覺察，約束等離子體的磁場，雖然不怕高溫，但宏觀穩(wěn)定性不好。要比人們預(yù)想的困難大得多。另外，等離子體在加熱過程中能量也不斷損失。從二十世紀六十年月中到七十年月，各國先后建成了很多試驗裝置，核聚變爭論進入了一個的高潮期，人們漸漸了解影響磁約束及造成能量損失的各種機理，摸索出抑制這種不穩(wěn)定性及能量損失的對策。在磁約束爭論方向上，托卡馬克類型的磁約束爭論領(lǐng)先于其它途徑，在技術(shù)上最成熟，進展也最快。在托卡馬克裝置上努力提高能量增益因子，即提高輸出功率與輸入功率之比始終是核聚變爭論的重點目標之一。到1970年，前蘇聯(lián)在托卡馬克裝置T－3上，利用強縱場抑制等離子體的宏觀不穩(wěn)定性，得到了高標綜合參數(shù)〔離子、電子溫度 0.8Kev，等離子體密度3X10*13/cm*3,能量約束時間20ms〕有可以覺察到的核聚變能量輸出，能量增益因子Q值為十億分之一，消退了世界上對核聚變爭論的悲觀心情。從二十世紀七十年月末開頭，美、歐、日、蘇開頭建筑四個大型托卡馬克：美國的托卡馬克聚變試驗反響器TFT〔Theokamakusionesteacto；歐洲建在英國的歐洲聯(lián)合環(huán)JE〔JointEuropeanToru；日本JT〔JapaneseTorus〕－60；原蘇聯(lián)T－20〔后來因經(jīng)費及技術(shù)緣由改為較小的T－15,承受超導(dǎo)磁體，沒有正常運行。這四個裝置在磁約束聚變爭論中做出了里程碑式的奉獻。其中，有的裝置把能量增益因子Q值提高到0.2,比十年前增加了兩億倍。在和平利用核聚變的不懈探究中，理論爭論和試驗技術(shù)上遇到了一個又一個難題，進一步開展廣泛國際合作是加速實現(xiàn)核聚變能利用的明智選擇。ITER〔InternationalTorusExperimentReactor〕打算1985年里根總統(tǒng)和前蘇聯(lián)戈爾巴喬夫總統(tǒng)，在一次首腦會議上建議開展一個核聚變爭論的國際合作打算，要求“在核聚變能方面進展最廣泛的切實可行的后來戈爾巴喬夫、里根和法國總統(tǒng)密特朗又進展了幾次高層會晤，支持在國際原子能機構(gòu)〔IAEA〕主持下，進展國際熱核試驗堆〔ITER〕概念設(shè)計和關(guān)心爭論開發(fā)方面的合作。這是當(dāng)時也是當(dāng)前開展核聚變爭論的最重大的國際科學(xué)和技術(shù)合作工程工程。1987年春，IAEA總干事邀請歐共體、日本、美國和前蘇聯(lián)的代表在維也納〔IAEA總部所在地〕四方合作設(shè)計建筑國際熱核試驗堆。國際熱核試驗堆是一個基于托卡馬克方案的工程，主要目的是實現(xiàn)氘－氚燃料點火并持續(xù)燃燒穩(wěn)定燃燒證明利用核聚變發(fā)電是安全的，也不污染環(huán)境；另外也進展核聚變工藝技術(shù)一體化試驗。當(dāng)時的設(shè)定指標：環(huán)形管的大環(huán)半徑8米，管的半徑3米，估量將產(chǎn)生熱功率150萬千瓦、等離2400萬安培16分鐘。當(dāng)時的時間表：20252023年建成，打算投資達80億美元。2025ITER2040年前投入運行。2050年以后有望開發(fā)商用核聚變堆。在國際原子能機構(gòu)的支持下，合作四方在1988年－1990年期間完成了國際熱核試驗堆的概念設(shè)計，1991年轉(zhuǎn)入工程設(shè)計方負擔(dān)，但隨著前蘇聯(lián)的解體，合作四方中的蘇方由俄羅斯接替，這一打算的進展受到了很大影響。美、歐、日、俄在參與ITER工作同時，還安排了自己的核聚變爭論。歐共體JETTore－Supra〔法國超級大環(huán)〕打算，美國利用大型托卡馬克聚變試驗反響器DIII－D及TFTR，日本利用JT－60JT－60U聚變試驗反響器，都深入開展了各自的試驗爭論。ITERITER受挫：美國于上世紀90年月縮減磁約束聚變爭論經(jīng)費，1997年美國甚至停頓了核聚變反響的爭論。1998年7月美國宣布退出國際熱核試驗反響堆打算。把核聚變爭論從圍繞國際熱核試驗反響堆的技術(shù)爭論轉(zhuǎn)到根底科學(xué)爭論上來。ITER打算，但是，又不甘心被甩在外面，仍設(shè)法派觀看員參與反響堆打算會議。ITER，但沒有經(jīng)濟實力，顯得力不從心，只有歐共體和日本全力支持〔歐洲，尤其是日本，都缺乏能源資源，迫切需要開發(fā)能源。ITERITER目標縮減：經(jīng)過九年的努力，2023年6月最終圓滿完成了ITER設(shè)計初的工程投資和建筑規(guī)模，打算投資削減到32億美元，環(huán)形管的大環(huán)半徑縮小ITER選址大戰(zhàn)到6米，管道半徑縮小到2.15米，參數(shù)降低為等離子體電流2200萬安培，燃燒7分鐘〔16秒。ITER選址大戰(zhàn)2023年11月，為共同實施國際熱核聚變試驗反響堆，參與四方在加拿大召開了政府間第一次磋商會。2023年1月23日在東京召開了其次次政府間磋商會，爭論了協(xié)議草案、選址程序、急需選購的設(shè)備及選購打算，以及實施的過渡安排等，另外，還確定了國際熱核聚變試驗反響堆實施的法人實體。選址爭吵：法國、日本力爭把ITER建在本國。日本表示，假設(shè)裝置建在日本，日本情愿出70％的經(jīng)費。期望美國能重參加ITER打算，并表示歡送中國參與ITER打算。中國于2023年1月初正式宣布參與協(xié)商，其后美國在1月末由布什總統(tǒng)宣布重參與ITER韓國在2023年被承受參與ITER2023年6ITER建在法國核技術(shù)爭論中心(Cadarache)，從而完畢〔中國支持定址法國。印度于2023年參加ITER最終，七個成員國202311月簽定ITER的國際協(xié)定。〔30多個國家及地區(qū)開展了核聚變爭論，運行的托卡馬克裝置至〕中國磁約束核聚變爭論進展1956年制定的“十二年科學(xué)規(guī)劃”中打算開展核聚變爭論。1958〔現(xiàn)原子能科學(xué)爭論院〕開頭磁約束聚變的爭論。中國科學(xué)院物理爭論所，以及電工爭論所、北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)相繼開展磁約束聚變爭論。第一屆全國電工會議在北京召開。1962〔盧鶴紱、周同慶、許國保。黑龍江原子核爭論所建成一臺小型角向箍縮裝置。1965年，東北技術(shù)物理爭論所〔原黑龍江原子核爭論所〕與原子能爭論所十四室合并，遷往四川樂山〔三線，下面注解，稱西南585所。注解：1958年中蘇決裂后，196482日北部灣大事爆發(fā)，美國驅(qū)除艦馬克多斯號與越南海軍艦發(fā)生激戰(zhàn)。中心打算三線建設(shè)一線：當(dāng)時經(jīng)濟最興旺且處于國防前線的〔指東南沿海及東北、疆等地區(qū)〕一線：當(dāng)時經(jīng)濟最興旺且處于國防前線的〔指東南沿海及東北、疆等地區(qū)〕二線：安徽、江西等三線：四川〔含今重慶〕、河北、山西、河南、湖北、湖南、廣西、云南、貴州、陜西、青海、甘肅和寧夏13個省及自治區(qū)，他們?nèi)课挥谥袊闹形鞑康貐^(qū)。1969年，中科院物理所建成一臺角向箍縮裝置，并得到聚變中子。1971585所的仿星器《凌云》建成。1974年，中科院物理所和電工所成功研制CT-6托卡馬克。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)建立等離子體專業(yè)。1975年，中科院在安徽合肥籌建等離子體物理爭論所。585303建成。1980〕創(chuàng)刊，1981年，中國核學(xué)會核聚變與等離子體物理學(xué)會成立。徐家鸞、金尚憲《等離子體物理學(xué)》出版。1982年，項志遴、俞昌旋《高溫等離子體診斷技術(shù)》出版。1984年，核工業(yè)西南物理爭論院研制成功HL-1環(huán)流器裝置。同年，中科院合肥等離子體所研制成功HT-6M托卡馬克裝置。H：Hefei；KT-5托卡馬克裝置及其初步試驗；〔其后進展改造K－5，〔199，〕1988年，馬騰才、胡希偉、陳銀華《等離子體物理原理》出版。1991年，中科院等離子體物理所建成超導(dǎo)托卡馬克HT-7。中國成為繼俄、法、日之后第四個擁有超導(dǎo)托卡馬克裝置的國家。1994年，核工業(yè)西南物理爭論院將HL-1HL-1M。199412953HT-7首次工程聯(lián)調(diào)；19941228HT-7得到首次等離子體；1995HT-71999年，石秉仁《磁約束聚變：原理和實踐》出版。英文刊物《PlasmaScience&Technology》創(chuàng)刊。2023HL-2A裝置。中科院物理所和清華大學(xué)SUNIST。華中科技大學(xué)TEXT裝置〔$3000,免費〕引進國內(nèi)。2023329日HT-7超過一分鐘63.95〔入選當(dāng)年中國十大科技進展；20231ITER協(xié)商；202310HT-7UEAST〔EAST“Experimental”、先進“Advanced”、超導(dǎo)“Superconducting”、托卡馬克“Tokamak”四個單詞首字母拼寫而成〕2023年，HT-7突破百秒，到達２４０秒；2023年成功實現(xiàn)了306穩(wěn)態(tài)條件下等離子體物理爭論；202313胡EAST2023315HT-7100000〔10〕次放電；2023321HT-7400〔640〕的高溫等離子體放電，電子溫度超過10000.5×1019m-3。在關(guān)斷歐姆加熱場的條件下，實現(xiàn)了完全由低雜波驅(qū)動等?！?023年3月24日：CCTV晚間聞報道〕〔ToreSuper，超級大環(huán)的紀錄〕2023117EastHmode100馬克高溫偏濾器等離子體放電，處于國際領(lǐng)先水平。重要價值的成果，期盼著東方超環(huán)在更短的時間內(nèi)做出更大的奉獻。國內(nèi)爭論聚變〔試驗〕爭論單位〔大連理工大學(xué)，東華大學(xué)等〕聚變反響、種類、特點、問題磁約束聚變根本原理――磁約束問題――聚變反響是帶電粒子〔原子核〕間的核反響；聚變反響要求粒子充分靠近；在自然界中的等離子體，約束常是自然具有的:例如太陽和其它恒星，憑借自身巨大的質(zhì)量，利用引力即可把等離子體約束在一起；33住高溫等離子體；人們很自然地想到了磁約束的方法。磁場對等離子體的作用包括三種：帶電粒子所受磁場的洛侖茲力――把帶電粒子約束在磁力線的四周；下，氘離子的拉莫盤旋半4mm0.07mm。磁場對等離子體束的磁壓力――磁壓力來自磁場的不均勻性，使等離子體整體受到指向內(nèi)部的作用力，從而抵消等離子體的熱膨脹；〔有相關(guān)理論推導(dǎo)，不講授〕等離子體電流所受磁場的箍縮力〔如同向電流之間的作用力〕――箍縮力將使等離子體電流束沿徑向被箍縮；磁約束裝置的研制關(guān)鍵在于查找到適宜的磁場位形。――粒子加熱?動能?聚變反響問題――帶電粒子相互靠近時受庫侖排斥力；，需要粒子有很大的動能去抑制庫侖排斥力；兩個高能帶電粒子之間〔足夠的動能可以使帶電粒子抑制庫侖位壘而充分接近到核力起作用的范圍隧道效應(yīng)產(chǎn)生聚變反響的幾率快速加大。反響截面---在低動能區(qū)，聚變反響開頭時隨粒子能量的加大而快速增大，到達峰值后隨能量的進一步加大而降低〔緣由：離子速度太大，兩核在核力起作用的范圍內(nèi)停留的時間縮短〕。主要聚變反響種類DD→T(1.01MeV) p(3.03MeV)〔H＋〕D+D→D+T→D+3He→

3He(0.82MeV) + n(2.45MeV)4He(3.52MeV) + n(14.06MeV)〔108攝氏度，410Kev〕4He(3.67MeV)+ p(14.67MeV)〔H＋〕〔單位原子質(zhì)量放出的能量〕為什么是〔or選擇〕D、T反響？-----〔單位原子質(zhì)量放出的能量〕[主要聚變反響產(chǎn)率離子能量〔左圖〕離子溫度〔麥克斯韋分布，右圖〕的變化：在低離子溫度下，D-T反響速率高，簡潔“點火”]主要核聚變反響比較〔有對應(yīng)圖〕――D+T反響―――D+T→――D+T反響―――

4He(3.52MeV) + n(14.06MeV)優(yōu)點：放出能量大，對應(yīng)的反響離子溫度低〔聚變溫度低〕；缺點1：但T在自然界不存在，需要人工生產(chǎn)；D的人工生產(chǎn)：在聚變堆包層中的由LI＋中子〔6Li＋nT+＋4.8MeV〕〔承受氟化鋰、碳酸鋰或鋰鎂合金做靶材〕缺點2：中子攜帶能量高，對壁材料有損害。〔在核聚變中，中子攜帶能量占反響總能的比例〕――D+D―――D+D→T(1.01MeV)+p(3.03MeV)〔H＋〕――D+D―――D+D→

3He(0.82MeV) + n(2.45MeV)聚變反響產(chǎn)生的能量小，反響離子溫度高。也有中子帶來的包層材料損傷問題；-――D＋He3

――D+3He→

He(3.67MeV)+ p(14.67MeV)〔H＋〕4兩個反響產(chǎn)物都是帶電粒子，其對應(yīng)優(yōu)點為：4第一，不存在中子引起的次級核反響，因此較干凈；其次，假設(shè)承受磁約束，帶電粒子都被約束在磁場內(nèi)，可以用于加熱冷燃料，而且，存在將聚變能量直接轉(zhuǎn)換為電能的可能性。缺點：3D＋He反響截面比D+T反響截面小，而且要求更高的離子能量，D+T堆可以在離3子溫度為10keV或更高時運行；D＋He堆則要求離子溫度在50keV以上。3這要求D＋He聚變堆要有更好的加熱方法，要能約束更高比壓的等離子體。目前托卡馬克不能用于氘-氦-3堆；假設(shè)將來制造更好的強場磁體〔臨界場20T更高的約束磁場，也可能建立托卡馬克型D＋He――――――――――――――――――――――――――――――――――附：自然界的氦-3氦-3500噸的可采量，它是太陽風(fēng)中的氦-3地球上化石燃料的能量總量的幾百倍?，F(xiàn)在我國正在樂觀實行探月打算，也是為今后可能開采氦-3資源做預(yù)備。――――――――――――――――――――――――――――――――――能量平衡、關(guān)系、判據(jù)〔 有很多概念，需要結(jié)合條件理解〕托卡馬克等離子體的能量平衡：由饋入能量、等離子體損失能量打算；對于穩(wěn)態(tài)等離子體〔不隨時間變化間變化，此時饋入能量等于損失能量。等離子體的饋入能量、損失能量饋入能量-----與低溫plasma不同---有來源于聚變反響的局部對等離子體加熱而言，饋入能量功率Pfusion和外部加熱Pexternal；外部加熱功率：指變壓器渦旋電場加熱功率，波加熱，中性注入加熱能量聚變功率源于Pfusion中子、α粒子〔Pfusion＝Pneutral＋Pα〕，雖然二者攜帶的能量均可以用于加熱等離子體，但途徑不同；-----核反響能量的轉(zhuǎn)化------中子的能量轉(zhuǎn)化中子不帶電，不受磁場約束，能量高〔在D、T聚變反響中，中子攜帶能量為14.1MeV〕、速度大，快速逃出托卡馬克芯部，與其他粒子的碰撞傳能效率低，攜帶的能量不能直接用于加熱等離子體；中子能量利用方法：中子能量利用方法：平均說，每個核過程將放出18.9MeV的能量〔熱〕，這些熱能在引出后加上從聚變反響室中最終釋出的3.5MeV〔α離子攜帶〕能量，共有22.4MeV的能量，此能量可以通過熱能轉(zhuǎn)化〔蒸汽發(fā)電機〕為電能；再將電能用于加熱等離子體的各種功率源；只要熱能轉(zhuǎn)換的電功率大于用于加熱等離子體所需的電功率堆就可以獲得凈能量輸出。α粒子的能量轉(zhuǎn)化攜帶聚變能的α粒子為帶電離子，能被磁場約束；對氘氚等離子體來說，α粒子是高能成分〔在D、T聚變反響中，α粒攜帶能量為3.5MeV〕；在α粒子在逸出等離子體約束區(qū)以前，可以將其攜帶的相當(dāng)一局部能量傳遞給氘氚等離子體，直接加熱等離子體。等離子體能量損失――在托卡馬克磁場中，由于各種因素的作用，粒子攜帶能量逃向壁，產(chǎn)生能量損失〔輸運損失〕；――電子與離子碰撞，在減速過程中產(chǎn)生韌致輻射；同時電子在盤旋過程中會產(chǎn)生盤旋輻射；――壁雜質(zhì)進入等離子體，產(chǎn)生線〔線譜〕輻射，由此損失能量；前兩種能量損失占主要比例；----如何衡量能量損失快慢？：能量約束時間 ：W時，此時去除外部加熱功率〔P

〕，能量損失externaldW/dt說明白磁約束質(zhì)量。由此定義特征時間――能量約束時間〔energyEconfinementtime〕，EW/E=Plosses饋入能量的外部加熱能量局部當(dāng)利用聚變能加熱等離子體，還缺乏夠補償?shù)入x子體的能量損失時，需要外部等離子體加熱源。自持聚變反響將等離子體加熱至高溫，產(chǎn)生聚變反響。在關(guān)斷外部加熱的條件下，此時由α自持聚變反響。這種自持聚變反響與蠟燭燃燒一樣〔無需外部能量〕，自持聚變反響也稱為聚變點火〔ignition〕。假設(shè)持續(xù)的聚變需要外部加熱，就是非自持聚變。能量得失相當(dāng)PP當(dāng) PPfusion

〔指外部加熱能量〕時，稱為得失相當(dāng)〔Break-even〕。external要到達能量得失相當(dāng)，并不肯定需要自持聚變，緣由〔前面已述，再述如下〕：[快中子進入包層后，在增殖氚的同時，還產(chǎn)生很多核反響，總體說是放能反響。[快中子進入包層后，在增殖氚的同時，還產(chǎn)生很多核反響，總體說是放能反響。室中最終釋出的3.5MeV能量，共有22.4MeV的能量，只要由此轉(zhuǎn)換的電功率大于用于加熱等離子體所需的電功率，那么，聚變堆就可以獲得凈能量輸出。]在非自持燃燒條件下，獲得凈能量輸出不是好的運行方式，緣由：一方面，這種狀況下能量轉(zhuǎn)換效率低；其次，需要對等離子體進展不連續(xù)的加熱，意味著要有穩(wěn)態(tài)的高功率加熱技術(shù)和設(shè)備。聚變堆能量增益因子QQ=Pfusion/Pexternal；當(dāng)Q<1時，說明聚變放出的能量小于外部加熱能量。當(dāng)Q>1時，說明聚變放出的能量大于外部加熱能量。附：――――――――――――――――――――――――――附：目前，絕大多數(shù)托卡馬克裝置的設(shè)計目的是試驗爭論，不是建堆發(fā)電，運行于Q<1的區(qū)域；放電承受D燃料，供給具有D-D反響的爭論托卡馬克環(huán)境；只有兩個裝置D-T反響，TFTR、JET；JET的D-T聚變功率創(chuàng)世界記錄〔16M，對應(yīng)的Q＝0.64;〔JETITER的緣由之一〕――――――――――――――――――――――――――Lawsoncriterion自持燃燒判據(jù)，英國科學(xué)家，1957年)當(dāng)粒子加熱、外部加熱功率與等離子體損失功率平衡時，即Palpha

+Pexternal

=Plosses

=W/E等離子體儲能W主要為熱能。--------------------------------------------------------------------------------------〔Pexternal=Plosses=W/E〕--------------------------------------------------------------------------------------在建堆發(fā)電條件下，PexternalPfusion/QEPalpha+Pfusion/Q=W/E等離子體熱能W、由聚變能轉(zhuǎn)化的外部加熱功率Pfusion/均與等離子體密度、溫度有關(guān)：D-T等離子體〔電子、離子〕的熱能為〔K為波爾茲曼常數(shù)〕并假設(shè)：等離子體由50%氘、50%氚組成，等離