受控核聚变研究的进展和展望_丁厚昌
受控核聚变专利技术分析及技术脉络梳理
受控核聚变专利技术分析及技术脉络梳理相对传统化石能源，聚变能是一种比较干净和安全的能源，其燃料来源于海水中氚，产物主要是水，而地球上的海水中储备的氚足够人类使用1010年。
笔者利用专业检索系统，对国内外受控核聚变领域的专利申请进行全面检索，并针对受控核聚变的专利申请状况进行统计分析，并对技术脉络进行梳理，以期对国内相关从业人员了解该领域的国内外研究现状，掌握行业关键技术，寻找技术空白点提供帮助。
标签：核聚变；专利分析；托卡马克Abstract：Compared with the traditional fossil energy，fusion energy is a relatively clean and safe energy. Its fuel source is from tritium in seawater，its main product is water，and the reserves of tritium in earth’s sea water is enough for human use for 1010 years. Using the professional retrieval system，the author retrieves the patent applications in the field of controlled nuclear fusion at home and abroad，makes a statistical analysis of the status of patent applications for controlled nuclear fusion，and sorts out the technical context，in order to provide help for domestic professionals in the relevant field to know about the research status，master the key technology，and find the technical gaps.Keywords：nuclear fusion；patent analysis；Tokamak1 申請量的年度发展趋势采用国际专利分类（IPC）G21B分类号（不包含冷聚变相关的G21B3/00分类号）对国内外的聚变相关专利进行检索，得到下图，其显示了相关领域国内外专利申请量的年度分布情况，由于专利公开日期的滞后性，13年-15年的专利申请数量不作为分析的数据依据。
可控核聚变——“无限的能源”梦想
Sci-Tech Expo科技博览可控核聚变——“无限的能源”梦想文 王握文 任永存 李杭2022年年初，英国原子能研究所发布消息称，在最近一次核聚变发电实验中，欧洲联合核聚变实验装置（J E T）在5秒内产生了59兆焦耳的持续能量，打破了这一装置在1997年创造的4秒内产生约22兆焦耳这一纪录，创造了可控核聚变能量新的世界纪录。
所谓可控核聚变，是指在一定条件下控制核聚变的速度和规模，能实现安全、持续、平稳能量输出的核聚变反应。
在能源需求量日益增加、能源短缺日趋严重的今天，可控核聚变凭借原料充足、安全可靠、无污染等优势，被科学家视为解决人类能源问题的“光明大道”。
59兆焦耳，可以满足一个普通家庭一天的电力需求。
此次J E T创造的世界纪录，让很多科学家确信，人类获得这一“无限的能源”是可能的、可行的。
利用核聚变，难就难在“可控”二字提起工业社会你会想到什么？滚滚蒸汽，堆积如山的煤炭，还有喷涌而出的石油……自进入工业社会以来，以化石燃料为核心的能源不断应用于人们的生产生活，助推着工业文明发展和科学技术进步。
即使在技术高度发达的今天，人们依然对煤炭、石油、天然气等传统能源保持着相当大的依赖。
然而，随着人类需求的不断扩大，传统能源的储量正在不可逆转地减少，其造成的污染更是对人类健康与生存造成严重影响。
寻找无限的清洁能源一直是科学家努力探索与追求的目标。
1942年12月，以美籍意大利著名物理学家恩利克·费米为首的一批科学家，根据核裂变原理，在美国建成了世界上第一座人工核反应堆，为人类打开了原子世界的大门。
研究表明，1克铀-235充分核裂变后，释放出来的能量相当于2.8吨标准煤燃烧释放的能量。
这激起了世界各国利用核裂变发电的热情。
然而，这种方式存在很大局限。
一方面，核裂变反应所需的裂变燃料在地球上储量有限；另一方面，核裂变产生的核废料具有长期放射性，一旦处理不当，会给人类及环境造成长久而巨大的影响。
磁约束受控热核聚变研究中的物理问题课件
仿星器装置的介绍
仿星器是一种类似于恒星内部结构的受控热核聚变装置，其名称来源于它的形状和 功能。
仿星器装置通常由多个磁场线圈组成，通过改变线圈电流来控制等离子体的形状和 约束。
仿星器装置的主要优点是能够模拟恒星内部的物理环境，并且具有较高的等离子体 密度和温度，因此在磁约束受控热核聚变研究中具有一定的应用价值。
热核聚变反应的点火与燃烧过程
总结词
点火与燃烧过程是磁约束受控热核聚变中的关键环节 ，涉及到高温、高压和高密度的极端物理条件。
详细描述
为了实现聚变反应的持续进行，需要解决点火与燃烧 过程的问题。点火涉及到聚变反应的启动，需要足够 的高温和高密度条件以克服热力学障碍。燃烧过程则 涉及到反应的维持和扩展，需要保持高温和高密度条 件，同时解决能量传输和输运问题。这一过程需要深 入研究燃烧等离子体的物理机制、能量传输和输运特 性以及高温等离子体的辐射性质等方面的知识。
02
磁场约束
通过强大的磁场，将高温等离子体限制在特定形状的磁场结构中，防止
其与容器壁直接接触。磁场强度和形状需精确控制，以确保等离子体的
稳定约束。
03
高温高压条件
为了引发和维持聚变反应，需要将等离子体加热到极高温度（数亿度）
，同时施加足够的高压。这需要采用先进的加热技术和能源输入方法。
磁约束受控热核聚变的应用前景
在球马克装置方面，研究者们成功地 实现了等离子体的均匀分布和稳定约 束，并探索了其在磁约束受控热核聚 变研究中的潜在应用前景。
04
面临的挑战与未来发展方向
等离子体控制技术的挑战
维持等离子体的稳定性
在磁约束受控热核聚变过程中，需要克服各种不稳定性，如ELM（边缘局域模）和ITG （内部输运垒）等，以确保等离子体的稳定运行。
受控自持续核聚变或现新曙光——美科学家推导出核聚变“热密度界限”方程
承认其观点也有不足之 处， 并欢迎新的思想。盖茨和德 尔嘎多一 阿帕瑞奇欧提 出的理论代表 着试 图解决“ 密 热
度界 限” 的新 途径 。
然 而 ，在托 卡 马 克环 实验 反 应 堆 中的等 离子体 达 到 神 秘 的“ 密度界 限” ， 离子 体 能旋 转 形成 闪光 ， 度 热 时 等 温
最初 没有 传播 开来 。
布特在一次会议上介绍 了辐射形成的岛屿， 但是没有刊
登在 杂 志上 。大约 １ ０年后 ， 国物 理 学家 沃 尔夫 冈 ・ 德 苏
盖茨和德 尔嘎 多一 阿帕瑞奇欧希望能够在麻省理 工 学院名为 Ａｃｔ — ｏ 的托卡马克核 聚变环装置以 ｌ ｏ ＣＭｄ ａｒ
・
Ⅱ ・
科技新 闻
限 ” 。
公 开得 到 大量 的报 道 ， 人们 仅仅视 其 为有 趣 的观 点。人
对于等离子体 岛屿问题 ， 学家曾单独地发表 了论 科
文 。２ 纪 ８ ０世 ０年代 中期 ， 国物理 学 家保 罗一 法 亨利 ・ 芮
们通常通过出版物传播信息， 然而“ 热密度界限” 的理念
科技 新 闻
受控 自持 续 核 聚 变 或 现 新 曙 光
— —
热过程 为等 离子体 添加 的 能量 时 ， 平衡被 打破 。 当岛屿 生 长到足 够 大时 ， 于帮助加 热和 束 缚等 离子体 加 热的 用 电流 出现 崩 溃 ， 离子体 四散 开 来。 等 大卫 ・ 茨是 美 国能 源部 普 林斯 顿 等 离子体 物 理 实 盖 验 室的 物理 学 家， 和 实验 室博 士后 研 究 员、 自麻 省 他 来
研 究人 员认 为 ，如 果 新提 出的 解 决方 式被 实验 验 证 是
刻” 。通过将注意力放在等 离子体 中的岛屿和带走能量
新能源_核能结课论文汇总
南京理工大学《新能源技术》课程报告姓名学号：学院(系):自动化学院专业: 电气工程题目: 受控核聚变的研究发展组别第8组核能任课教师硕士导师2015年6月16号受控核聚变的研究发展摘要：本文首先概述了受控核聚变能源的发展状况。
接下来分析了受控核聚变的定义，以及当今受控核聚变的主要研究途径和面对的难题。
磁约束核聚变和惯性约束核聚变是当今研究受控核聚变的两种主要研究途径。
在磁约束核聚变中，本文首先讲解了该方式的原理。
然后分析了托卡马克装置的工作原理。
接着分析了我国磁约束核聚变的发展。
在惯性约束核聚变中，首先讲解了该方式的基本原理。
然后介绍了美国的NIF装置的发展状况，以及我国神光工程在约束核聚变中研究。
人们研究核聚变的脚步依然在向前迈着，不久的将来一定能实现可控的核聚变。
关键词：受控核聚变；磁约束核聚变；惯性约束核聚变Research and development of controlled nuclear fusionABSTRACT：This paper tells the development of controlled nuclear fusion energy at the first. Then it analyzes the definition and the main research methods and the problems of controlled nuclear fusion. Magnetic confinement fusion and inertial confinement fusion are two main research approaches in the study of controlled nuclear fusion. This paper explains the principle of magnetic confinement fusion firstly. Then it analysis the working principle of tokamak. It also analyzes the development of magnetic confinement nuclear fusion in China. In the inertial confinement fusion, the paper firstly explains the basic principle of the method. Then this paper introduces the development of the NIF device in American and SG engineering in nuclear fusion research in China. People still insist on the study of nuclear fusion, people will be able to achieve controlled nuclear fusion in the future.KEYWORDS：controlled nuclear fusion; magnetic confinement fusion; inertial confinement fusion1 引言能源与生活息息相关。
核聚变技术的最新研究成果
核聚变技术的最新研究成果核聚变技术是人类追求清洁、永久、高效能源的梦想。
近年来，全球各大实验室和研究机构持续推进着核聚变技术的研究。
今天，让我们来看看核聚变技术的最新研究成果。
一、国际热核聚变实验堆（ITER）ITER是世界上最大的聚变实验，由欧盟、美国、中国、日本、韩国、俄罗斯和印度等国组成的国际联合体建造。
ITER采用“托卡马克”型聚变反应器，目标是实现人工控制的核聚变反应，以获取清洁、持久、高效的能源。
近年来，ITER项目进展迅速。
2019年底，ITER的大型模块化结构开始完工，在2020年完成了现场砌筑工程，目前正在进行设备安装和管理系统的构建。
二、中科院等国内机构的核聚变实验国内也在积极推进核聚变技术的研究。
中国科学院近期在实际实验中成功压缩了等离子体，这是中国在核聚变领域的一项重大突破。
中国原子能科学研究院也在多项实验中取得了突破性进展。
在国内外多个机构的努力下，未来我们可能会看到一些商用化的聚变反应堆投入使用，为世界提供更多的清洁能源。
三、自由电子激光谱仪的应用除生产等离子体外，自由电子激光谱仪（FALC）也在核聚变中发挥着作用。
FALC可以产生强烈的电磁场，用于研究等离子的行为，对聚变领域的理论研究有着重要意义。
FALC组合其他实验技术可以研究等离子体的物理性质，确定聚变反应的条件和可能出现的问题。
这些技术的提升都将为核聚变技术的实际应用带来帮助。
四、宇宙聚变的启示聚变技术在自然界中有着广泛应用。
比如，太阳是一个巨大的聚变反应堆，宇宙中的恒星、行星和卫星也都是基于聚变技术的运作。
通过研究宇宙聚变过程，人类可以更好地理解聚变技术的本质和运作规律，这对聚变技术的进一步研究有着重要意义。
综上所述，核聚变技术的最新研究成果涉及众多领域，包括工程应用、理论研究和宇宙探索等。
我们相信在全球各大实验室和研究机构的共同努力下，核聚变技术必将实现商业化应用，为人类提供更多的清洁、可持续、高效能源。
受控核聚变两大途径的对比与结合!
离真正的 后的商业运行 % 因为无论是 >0? 还是 @0?， 经济利用都还有相当长的一段距离， 还有许多问题 要解决 % 在这里我们首先讨论一下 >0? 和 @0? 的特 点及各自目前还存在的困难， 然后再探讨一下二者 的结合问题 % 笔者认为， 如果将 >0? 和 @0? 结合起 来， 也许能克服原来各自的某些缺点和困难， 甚至可 能会产生一些意想不到的效果 %
I
>0? 和 @0? 基本原理及其优缺点对比
首先， 我们来看看 >0?， 即磁约束方式 % 所谓磁 约束受控核聚变， 就是利用一定的强磁场将高温等 离子体进行约束和压缩， 使之达到劳森判据 （即受控 核聚变条件） ， 实现聚变反应 % 为此人们先后设计了 诸如磁镜装置、 仿星器、 箍缩装置以及在以上装置的 基础上发展起来的托卡马克装置 % 目前托卡马克装 置基本上已经成为 >0? 研究的主流装置， 所取得的 成果最接近于聚变点火条件 % 但是， 即使在托卡马克
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磁约束受控热核聚变研究中的物理问题
1，电子温度分布的剖面不变性：
• 模型：电子温度梯度(ETG)驱动的湍流支配电 子能量的反常输运； 温度分布陡（温度梯度大）→湍流发展→输运 系数增加→温度分布变平→温度梯度低于一定 的阈值→湍流就消失→输运系数就降到新经典 理论预言的值→温度分布变陡。 • 自洽平衡的结果，就使得电子温度梯度保持在 阈值附近而呈现某种不变性。虽然线性理论求 得的ETG模的不稳定阈值与实验结果很接近， 但理论计算和数值模拟得到的ETG模引起的输 运系数都远小于实验观测值。因此，理论仍然 不能定量解释并预见电子温度分布的剖面不变 性这种自组织现象。
Cryostat
Toroidal Field Coil Nb3Sn, 18, wedged 24 m high x 28 m dia. Port Plug (IC Heating) 6 heating 3 test blankets 2 limiters/RH rem. diagnostics
Fusion Power: 500 MW Plasma Volume: 840 m3 Nominal Plasma Current: 15 MA Typical Temperature: 20 keV Typical Density: 1020 m-3
2，输运壁垒(Transport Barrier)：
• 等离子体能量约束的低（L-）模：
E E /( dE / dt ) P
0 .5
• 等离子体能量约束的高（H）模： 在一定的条件下，当非欧姆加热 功率超过一定的阈值时，等离子 体会发生向高（H）约束模式的 突变。H模的一个特点就是等离 子体的密度和温度在等离子体 边缘部分会很快变陡而形成台基状的边缘输运壁垒
三、磁约束等离子体中的自组织现象