核聚变复习

概况：

1.什么是聚变反应？与裂变反应区别？几类？如何使聚变持续时间长？

轻原子核（氘和氚）结合成较重的原子核（氦）时能放出巨大能量,这种核反应称为聚变反应。

区别：1．几乎无放射性废物，不污染环境；2.运行安全可靠（固有安全性，无超临界事故，余热安全）；3.燃料丰富而且其价格低廉。

两类：磁约束受控核聚变；惯性约束受控核聚变。

1.等离子体高温Ｔ：克服库仑斥力，发生碰撞，产生初始核聚变反应，实际D-T聚变反

应:T>10KeV, 1KeV=107K

2.等离子体密度足够高ｎ：发生足够多有效聚变反应

3.约束控制等离子体：使等离子体热绝缘，维持等离子体高温

4. 能量自持：聚变释放的能量大于维持等离子体所需能量

2．聚变堆（托卡马克）的重要组成部分？

磁体：产生磁场位形

环向磁场磁体：由纵场线圈组成，产生环向磁场

极向磁体系统：包括欧姆变压器线圈、平衡磁场线圈成形磁场线圈、偏滤器线圈

环形真空室

限制器(又名孔栏)：保护真空室, 避免与等离子体直接作用

偏滤器: 排热、杂质控制、除灰

包层：带走中子能量，并增殖氚

加热系统：加热等离子体

补充送气和固体弹丸系统：补充燃料

诊断设备：温度、密度、磁场等参数与形状测量

供电系统：给磁场线圈供电

此外，还包括反馈控制系统及机械支架系统等

等离子体：

1．什么是等离子体？约束粒子通行粒子安全因子撕裂模

等离子体（Plasma）的定义：等离子体是由大量带电粒子组成的非束缚态宏观体系。

安全因子：一条磁力线绕小截面一周后在大环方向的环绕圈数

撕裂模：为环形装置主要宏观不稳定性的一种，其性质为电阻，形态低M，驱动源为电流梯度，稳定方法是磁剪切（q a>m).

2．为什么简单圆环型磁场不能约束带电粒子？

在均匀磁场中，带电粒子的运动轨迹为螺旋线，可分解成平行磁场方向的自由运动和垂直磁场方向的回旋运动，这是由于环向等离子体电流产生极向磁场实现旋转变换。如果是圆环型磁场进行约束，则带电粒子会发生漂移而大幅损失。

包层：

1.包层在聚变堆中的作用，以及对聚变堆安全的影响？

1．氚增殖：维持聚变堆芯聚变反应所需的氚，实现氚自持.；

2．能量增殖：将聚变粒子（14Mev中子）能量转换为可利用能量，如热和电等；

3．辐射屏蔽：减少放射性物质的扩散，包容放射性物质。

影响：包层是聚变能走向应用的核心技术载体，也是聚变堆实现应用的目标功能载体。

2．固态增值包层和液态增值包层是按着什么进行分类的？两类包层的特点分别是什么？

按氚增殖剂的形态分类。

固态氚增殖剂主要包括Li4SiO4, Li2Ti2O3, Li2ZrO3, LiAl O2和Li2O等。由于受到Li 的原子比以及填充率的限制，固态包层的氚增殖率普遍不高，为了达到合适的氚增殖率，需要在包层中布置可以提高中子产额的中子倍增剂，如Be等。固态陶瓷氚增殖剂和中子倍增剂Be在中子辐照和高温条件下，其热物理性能和机械性能会大大降低，因此对它们的使用温度有一定的限制，其允许使用的温度上限分别为900和650C。

液态增殖剂主要包括液态金属锂Li、液态锂铅共晶体LiPb、熔盐Flibe等。液态金属没有中子辐照损伤和热机械性能方面限制，在结构材料温度允许的条件下其运行温度可以达到很高。

其中固态包层的冷却剂主要是氦气和水，而液态包层除了可以用氦气和水之外，氚增殖剂本身也可以通过自身的流动将热量带出，起到冷却剂的功能。固态增殖剂包层由于只有一种冷却剂，因此只能选择单冷模式。而液态包层则可以选择单冷、双冷或液态金属自冷三种冷却方式。

3.什么是ITER？什么是TBM？在ITER上测试TBM的目标是什么？

ITER是International Thermonuclear Experimental Reactor的简写，全称国际热核聚变实验反应堆，也被人们形象地称为人造太阳，地点设在法国的南部小城卡达拉舍。为欧盟、美国、中国、日本、韩国、印度和俄罗斯等七方共同参与。

TBM是指在ITER上的实验包层，其目标是：

1. 证实氚增殖性能和在线提取与控制技术

2. 证实高级别可用于发电的热的获得

3. 验证设计工具和database, 包括中子学、电磁学、热工水力学等

4. 证实包层系统在不同条件下的综合性能

5. 观察可能的辐照效应

4．和包层相关的辅助系统有哪些？作用？

.液态包层：锂铅辅助系统、氦气辅助系统、氚提取系统、冷却剂净化系统；

固态包层：氦冷系统、氚测量系统、氚提取系统、冷却剂净化系统、中子测量系统、托克马克水冷系统。

磁体和低温：

1．什么叫超导态？什么叫临界温度？

低温下金属材料电阻进入零电阻为特征的新物态，定义为“超导态”。电阻突然变为零的温度称为这种材料的临界温度，通常用Tc表示。

2．低温超导材料特点

3．Nb3Sn::温度范围大(Tc =18 K, NbTi 10 K)

铜含量少

磁场强度高

磁场强度可通过合金的方式进一步改进。

Nb3 Sn的缺点：

化合物易碎

临界电流密度Jc 具有张力依靠性;成本高。

3．磁体冷却方式有哪几种？ITER采用哪种？每种方式特点

浸泡冷却、迫流冷却、热传导冷却

ITER采用迫流冷却

浸泡冷却是指磁体全部浸泡在液氦中，通过液氦的蒸发来带走磁体上热负荷而冷却磁体。这种冷却方式相对简单，需要一绝热性能好的液氦杜瓦。早期的超导磁体以及目前小型超导磁体均采用此冷却方式。

迫流冷却是指冷却介质，如两相氦或超临界氦，在磁体中的冷却通道中流动来冷却超导磁体。迫流冷却导体在许多方面比浸泡式冷却导体具有优越性，如减少液氦用量、没有浸泡式导体失超时引起过压的危险性、易于绝缘、增加超导体的冷却面积、使装置变得更加紧凑、建造费用率低等，因而在有电磁和机械扰动的环境中，如在核聚变、超导储能系统(SMES)、粒子加速器、磁流体(MHD)等方面，取得广泛的应用。它适用于大型超导磁体或形状特殊的磁体。虽然迫流冷却低温容器相对简单，但其超导导体设计和加工工艺复杂。对于大型核聚变超导磁体系统，其导体主要采用CICC(Cable in Conduit Conductor),这是一种迫流内冷导体。EAST纵场和极向场超导磁体均采用CICC导体。

热传导冷却是一种间接冷却方式，即液氦不直接与超导体接触，它在超导磁体表面的盘管中流动，通过盘管与超导体接触来冷却磁体或带走热负荷。

4．为什么低温系统需要失超保护？其作用？

EAST纵场超导磁体总贮能为301.6MJ（按额定电流为14.3KA计算），失超时如不采取相应的保护措施，及时地将能量转移到外部移能电阻上，过多的能量消耗在纵场磁体上，将会使线圈短时间内局部温升超过允许值，造成磁体线圈永久性损伤。失超保护系统就是在一旦检测到失超信号后，立即动作保护机构，将纵场线圈贮能快速地转移出去，使能量大部分消耗在外部移能电阻上，从而起到保护纵场超导磁体的目的。

加热：

1．加热有哪几种方式？中心束注入加热？欧姆加热的原理与特点？

三种：欧姆加热；

中性束注入加热；

磁约束等离子体的波加热。

中心束注入加热：利用已在等离子体外预先加速到能量比本底等离子体的电子和离

子平均能量大得多的粒子，通过与本底等离子体的碰撞而慢化的同时，把能量传给电子和离子，只要电子和离子的平均约束时间大于高能粒子的慢化时间，加热即有效。

欧姆加热即通过电流的焦耳热来加热等离子体。其功率密度为：P=μj2 η～Te

-2/3,故随着温度的升高其加热效率下降

原理：通过欧姆变压器（中心螺线管线圈）的磁通变化在环向感应一个电场，开始是这一电场必须足够大以击穿工作气体，随后形成迅速上升的电流，等离子体的密度和温度也随之加大。首先加热的是电子，然后电子与离子的碰撞而将部分能量转到离子成分上。

特点：结构简单

随着温度的升高，加热效率会随之下降

气体击穿阶段，消耗大量的伏秒数，影响等离子体放电的维持时间

电子和离子的热传导等因素限制了离子和电子温度的升高。

2．

材料：

1．聚变堆候选材料有哪几类？其使用温区？

聚变堆结构材料：高能中子辐照

低活化铁素体马氏体钢（RAFM）

使用温度约550℃

钒合金

使用温度700℃

SiCf/SiC复合材料

使用温度1000℃

2．对于结构材料，辐照损伤有哪几类？

辐照肿胀、辐照硬化、辐照脆化、辐照蠕变、辐照疲劳

3．面向等离子体辐照材料装置的要求？

可靠性要求

辐照装置在试验后放射性很大，一旦发生故障或失误，难以回修。因此辐照装置的

零、部件设计须慎重考虑，入堆前应认真检查，确保试验成功。

结构要求

辐照装置结构必须紧凑、牢固、配合严密可靠，传热间隙必须对称和稳定。即经入堆、出堆和机械手远距离操作后，仍能保持结构稳定。同时还应便于加工、安装和解体，且装置内腔空间大，以便多放置样品。

核要求

所用材料的中子吸收截面和活化截面要小，嬗变产物半衰期要短，以便减少放射性。

零部件应尽量少、尽量薄和不用实心体，以便减少中子损失和放射性。

相容性要求

材料在堆内不生锈、耐辐照、导热好、膨胀小，与试样材料和冷却剂相容性好。