核聚变工程导论2014-1
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核聚变 课件
反应前后的质量亏损为：Δm＝m1＋m2－m3 释放的能量为：E＝(m1＋m2－m3)c2 光子的能量为：hν＝(m1＋m2－m3)c2 所以光子的频率就是：ν＝(m1＋m2－m3)c2/h. 答案：(m1＋m2－m3)c2/h
二、受控热核反应 1．热核反应的优点(与裂变相比) (1)产生的能量大； (2)反应后生成的放射性物质易处理； (3)热核反应的燃料在地球上储量丰富． 2．实现核聚变的难点 地球上没有任何容器能够经受如此高的温度．为 解决这个难题，科学家设想了两种方案，即磁约束和 惯性约束．
C． 411H→42He＋20－1e 反应之所以释放出能量，是因为H核子
的平均质量较He的大
D． 411H→42He＋20－1e 反应之所以释放出能量，是因为H核子
的平均质量较He的小 解析：太阳能是由太阳内部核聚变反应产生的，反应中释放
出能量是因为H核子的平均质量较He的大，故A、C正确． 答案：AC
注：使轻核反生聚变，必须使它们的距离十分接近，达 到10－15 m的近距离．由于原子核都是带正电的，要使它们接 近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力．这就要使原子核 具有很大的动能．用什么办法能使大量原子核获得足够的动 能来产生聚变呢？有一种办法就是给它们加以很高的温 度．当物体达到几百万摄氏度的高温时，剧烈的热运动使得 一部分原子核具有足够的动能，可以克服相互间的库仑斥力， 在碰撞时发生聚变．因此，聚变反应又叫热核反应．
法二：先查出氘核和氦核的比结合能 ED＝1.11 MeV，EHe＝7.07 MeV 然后采用“先拆散，后结合”的方法，即先把2个氘核 分解成4个自由核子(2个中子和2个质子)，再使这4个自由核 子结合成氦核，比较前后两个过程中释放的结合能，同样可 得出结果． 由于氘核的平均结合能为ED＝1.11 MeV，所以将2个氘 核分解成4个自由核子需提供的能量为： E1＝4×1.11 MeV＝4.44 MeV 氦核的平均结合能为EHe＝7.07 MeV，所以将4个自由核 子结合成氦核时释放出的能量为： E2＝4×7.07 MeV＝28.28 MeV 则两个氘核发生聚变生成一个氦核时，放出的核能为： ΔE＝E2－E1＝28.28 MeV－4.44 MeV＝23.84 MeV. 答案：23.84 MeV
二、受控热核反应 1．热核反应的优点(与裂变相比) (1)产生的能量大； (2)反应后生成的放射性物质易处理； (3)热核反应的燃料在地球上储量丰富． 2．实现核聚变的难点 地球上没有任何容器能够经受如此高的温度．为 解决这个难题，科学家设想了两种方案，即磁约束和 惯性约束．
C． 411H→42He＋20－1e 反应之所以释放出能量，是因为H核子
的平均质量较He的大
D． 411H→42He＋20－1e 反应之所以释放出能量，是因为H核子
的平均质量较He的小 解析：太阳能是由太阳内部核聚变反应产生的，反应中释放
出能量是因为H核子的平均质量较He的大，故A、C正确． 答案：AC
注：使轻核反生聚变，必须使它们的距离十分接近，达 到10－15 m的近距离．由于原子核都是带正电的，要使它们接 近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力．这就要使原子核 具有很大的动能．用什么办法能使大量原子核获得足够的动 能来产生聚变呢？有一种办法就是给它们加以很高的温 度．当物体达到几百万摄氏度的高温时，剧烈的热运动使得 一部分原子核具有足够的动能，可以克服相互间的库仑斥力， 在碰撞时发生聚变．因此，聚变反应又叫热核反应．
法二：先查出氘核和氦核的比结合能 ED＝1.11 MeV，EHe＝7.07 MeV 然后采用“先拆散，后结合”的方法，即先把2个氘核 分解成4个自由核子(2个中子和2个质子)，再使这4个自由核 子结合成氦核，比较前后两个过程中释放的结合能，同样可 得出结果． 由于氘核的平均结合能为ED＝1.11 MeV，所以将2个氘 核分解成4个自由核子需提供的能量为： E1＝4×1.11 MeV＝4.44 MeV 氦核的平均结合能为EHe＝7.07 MeV，所以将4个自由核 子结合成氦核时释放出的能量为： E2＝4×7.07 MeV＝28.28 MeV 则两个氘核发生聚变生成一个氦核时，放出的核能为： ΔE＝E2－E1＝28.28 MeV－4.44 MeV＝23.84 MeV. 答案：23.84 MeV
核聚变、粒子和宇宙 课件
32He 的质量为 3.015 0 u，10n 的质量为 1.008 7 u,1 u＝931 MeV/c2.氘核聚变
反应中释放的核能约为 A.3.7 MeV
√B.3.3 MeV
C.2.7 MeV
D.0.93 MeV
解析 根据质能方程，释放的核能ΔE＝Δmc2，Δm＝2mH－mHe－mn＝ 0.003 5 u，则ΔE＝0.003 5×931 MeV＝3.258 5 MeV≈3.3 MeV，故B正确，
二、粒子和宇宙 1.“基本粒子”不基本 (1)直到19世纪末，人们都认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒， 后来人们发现了光子、电子、质子、中子，并把它们叫做“基本粒子”. (2)随着科学的发展，科学家们发现了很多的新粒子并不是由以上_基__本__ 粒子 组成的，并发现 质子、中子 等本身也有复杂结构. 2.发现新粒子 (1)新粒子：1932年发现了 正电子 ，1937年发现了 μ子，1947年发现了K 介子和π介子，后来发现了超子等.
出核能
放能多少
聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大 3～4倍
核废料处理难度 聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多
原料的 蕴藏量
可控性
主要原料是氘，氘在地球上的 核裂变燃料铀在地球上储
储量非常丰富.1 L水中大约有 量有限，尤其用于核裂变
0.03 g氘，如果用来进行热核反 的铀235在天然铀中只占
(2)粒子的分类：按照粒子与各种相互作用的关系，可将粒子分为三大类： 强子、轻子 和 媒介子 . 3.夸克模型的提出 1964年提出的强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的.
1.为什么实现核聚变要使聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温？
答案 轻核的聚变反应，是较轻的核子聚合成较重的核子，要使得核子 的强相互作用发挥作用，必须使核子间的距离达到10－15 m以内；同时由 于原子核之间在此距离时的库仑斥力十分巨大，因而需要核子有很大的 动能，表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度.
《核聚变》课件2
2
2
产物,所以氘(1 H)是实现这两个反应的原始材料,而氘(1 H)是重水的组成
2
3
部分,在覆盖地球表面 的海水中是取之不尽的。从这个意义上讲,轻核
聚变是能源危机的终结者。这是优点之二,即地球上聚变燃料的储量丰
富。
问题导学
课前预习导学
课堂合作探究
KEQIAN YUXI DAOXUE
KETANG HEZUO TANJIU
可再分的最基本的粒子,20 世纪后半期,科学家发现质子、中子也有着
自己的复杂结构,于是基本粒子不再“基本”。
问题导学
课前预习导学
课堂合作探究
KEQIAN YUXI DAOXUE
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当堂检测
一、核聚变
活动与探究
1.聚变发生的条件是什么?
答案:(1)微观上:要使轻核发生聚变,必须使两轻核间的距离达到
KETANG HEZUO TANJIU
预习引导
二、受控热核反应
1.裂变与聚变相比有很多的优点
第一,轻核聚变产能效率高;
第二,地球上聚变燃料的储量丰富;
第三,轻核聚变更为安全、清洁。
2.科学家设想的受控热核反应两种方案
磁约束和惯性约束。
三、“基本粒子”不基本
在 19 世纪末,人们认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不
(3)若两个氘核以相等的动能 0.35 MeV 做对心碰撞即可发生上述
3
核反应,且释放的核能全部转化为机械能,则反应中生成的 2 He 核和中
子的动能各是多少?
问题导学
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课堂合作探究
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2
产物,所以氘(1 H)是实现这两个反应的原始材料,而氘(1 H)是重水的组成
2
3
部分,在覆盖地球表面 的海水中是取之不尽的。从这个意义上讲,轻核
聚变是能源危机的终结者。这是优点之二,即地球上聚变燃料的储量丰
富。
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可再分的最基本的粒子,20 世纪后半期,科学家发现质子、中子也有着
自己的复杂结构,于是基本粒子不再“基本”。
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当堂检测
一、核聚变
活动与探究
1.聚变发生的条件是什么?
答案:(1)微观上:要使轻核发生聚变,必须使两轻核间的距离达到
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预习引导
二、受控热核反应
1.裂变与聚变相比有很多的优点
第一,轻核聚变产能效率高;
第二,地球上聚变燃料的储量丰富;
第三,轻核聚变更为安全、清洁。
2.科学家设想的受控热核反应两种方案
磁约束和惯性约束。
三、“基本粒子”不基本
在 19 世纪末,人们认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不
(3)若两个氘核以相等的动能 0.35 MeV 做对心碰撞即可发生上述
3
核反应,且释放的核能全部转化为机械能,则反应中生成的 2 He 核和中
子的动能各是多少?
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2024年核工程与核技术专业导论课学习总结(2篇)
2024年核工程与核技术专业导论课学习总结____年，我在大学里开始了我作为核工程与核技术专业的学习旅程。
在这一年的学习中，我参加了核工程与核技术专业导论课程，这个课程为我打开了核工程与核技术专业的大门，为我提供了广阔的知识视野和深入了解核工程与核技术专业的机会。
在这篇学习总结中，我将总结我在这门导论课程中所学到的知识和经验，并对自己未来的学习和发展提出一些建议。
在核工程与核技术专业导论课程中，我们首先学习了核工程与核技术的基本概念和发展历程。
我们了解到核工程与核技术是以核反应理论为基础，主要研究利用核能进行能量转换和核材料的研究开发的学科。
通过学习核工程与核技术的基本概念，我对这个学科有了更清晰的认识，并对自己选择这个专业感到更加坚定。
在课程的进一步学习中，我们学习了核反应的基本原理和核能的利用方式。
通过学习核反应理论，我了解到核能是一种非常高效、清洁的能源，并且具有巨大的潜力和前景。
学习核反应原理和利用方式，让我对核能的利用和开发有了更加深入和全面的认识。
除了理论知识的学习，我们还进行了一系列实践和实验。
在实践环节中，我们参观了核工程领域的一些示范项目，例如核电站和核燃料加工厂。
在实验环节中，我们学习了一些基本的实验技术和方法，例如核材料的制备和测量。
这些实践和实验活动加深了我对核工程与核技术的理论知识的理解，并让我对核工程与核技术的实际应用有了更直观的认识。
在这门导论课程中，我还学习了核工程与核技术的国内外发展情况和前景。
我了解到核能作为一种高效、清洁的能源，正在全球范围内得到越来越广泛的应用和关注。
我也了解到核能领域的一些最新研究和技术进展，例如核融合技术和核废料处理技术等。
通过了解国内外的发展情况和前景，我对核工程与核技术的未来发展有了更清晰的认识，并且对自己未来的学习和发展充满了信心和激情。
在这门导论课程的学习中，我还结识了一些同学和老师。
通过与他们的交流和讨论，我扩展了自己的知识视野，学习了一些新的观点和见解。
最新高中物理精品课件(完美版)核裂变与核聚变
• 莉泽· 迈特纳（Lise Meitner）和奥多· 哈恩（Otto Hahn）同为 德国柏林威廉皇帝研究所（Kaiser Wilhelm Institute）的研究员。 作为放射性元素研究的一部分，迈特纳和哈恩曾经奋斗多年创造比 铀重的原子（超铀原子）。用游离质子轰击铀原子，一些质子会撞 击到铀原子核，并粘在上面，从而产生比铀重的元素。这一点看起 来显而易见，却一直没能成功。 • 他们用其他重金属测试了自己的方法，每次的反应都不出所 料，一切都按莉泽的物理方程式所描述的发生了。可是一到铀，这 种人们所知的最重的元素，就行不通了。整个20世纪30年代，没人 能解释为什么用铀做的实验总是失败。 • 从物理学上讲，比铀重的原子不可能存在是没有道理的。但 是，100多次的试验，没有一次成功。显然，实验过程中发生了他 们没有意识到的事情。他们需要新的实验来说明游离的质子轰击铀 原子核时究竟发生了什么。 • 最后，奥多想到了一个办法：用非放射性的钡作标记，不断 地探测和测量放射性的镭的存在。如果铀衰变为镭，钡就会探测到。 • 他们先进行前期实验，确定在铀存在的条件下钡对放射性镭 的反应，还重新测量了镭的确切衰变速度和衰变模式。这花了他们 三个月的时间。
• 裂变释放能量是因为原子核中质量－能量的储存方式以铁及相关元素(见核合成)的核 的形态最为有效。从最重的元素一直到铁，能量储存效率基本上是连续变化的，所以， 重核能够分裂为较轻核(到铁为止)的任何过程在能量关系上都是有利的。如果较重元素的 核能够分裂并形成较轻的核，就会有能量释放出来。然而，很多这类重元素的核一旦在 恒星内部形成，即使在形成时要求输入能量(取自超新星爆发)，它们却是很稳定的。不稳 定的重核，比如铀-235的核，可以自发裂变。快速运动的中子撞击不稳定核时，也能触 发裂变。由于裂变本身释放分裂的核内中子，所以如果将足够数量的放射性物质(如铀235)堆在一起，那么一个核的自发裂变将触发近旁两个或更多核的裂变，其中每一个至 少又触发另外两个核的裂变，依此类推而发生所谓的链式反应。这就是称之为原子弹(实 际上是核弹)和用于发电的核反应堆(通过受控的缓慢方式)的能量释放过程。对于核弹， 链式反应是失控的爆炸，因为每个核的裂变引起另外好几个核的裂变。对于核反应堆， 反应进行的速率用插入铀(或其他放射性物质)堆的可吸收部分中子的物质来控制，使得平 均起来每个核的裂变正好引发另外一个核的裂变。 • 核裂变所释放的高能量中子移动速度极高(快中子)，因此必须通过减速，以增加 其撞击原子的机会，同时引发更多核裂变。一般商用核反应堆多使用慢化剂将高能量中 子速度减慢，变成低能量的中子(热中子) 。商营核反应堆普遍采用普通水、石墨和较昂 贵的重水作为慢化剂。 • 核裂变是一个原子核分裂成几个原子核的变化。只有一些质量非常大的原子核像 铀、钍等才能发生核裂变。这些原子的原子核在吸收一个中子以后会分裂成两个或更多 个质量较小的原子核，同时放出二个到三个中子和很大的能量，又能使别的原子核接着 发生核裂变……，使过程持续进行下去，这种过程称作链式反应。原子核在发生核裂变 时，释放出巨大的能量称为原子核能，俗称原子能。1克铀235完全发生核裂变后放出的 能量相当于燃烧2.5吨煤所产生的能量。比原子弹威力更大的核武器是氢弹，就是利用核 聚变来发挥作用的。核聚变的过程与核裂变相反，是几个原子核聚合成一个原子核的过 程。只有较轻的原子核才能发生核聚变，比如氢的同位素氘、氚等。核聚变也会放出巨 大的能量，而且比核裂变放出的能量更大。太阳内部连续进行着氢聚变成氦过程，它的 光和热就是由核聚变产生的。
《核聚变》(教学)课件
3 1 4 2 1 0
2 1
H H He n
2 1 3 2 1 0
聚变后比结合能增加， 反应中会释放能量
2 1
H H He n
3 1 4 2 1 0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
氘核的质量：mD＝2.014102u 氚核的质量：mT＝3.016050u 氦核的质量：mα＝4.002603u 中子的质量：mn=1.008665u
热核反应和裂变反应相比较，具有许多优越性。
（每升水中就含有0.03g氘，地球上有138.6亿亿 立方米的水，大约有40万亿吨氘。氚可以利用锂 来制取，地球上锂储量有2000亿吨）
3、轻核聚变更为安全、清洁
（高温不能维持反应就能自动终止，聚变产生的 氦是没有放射性的。废物主要是泄露的氚，高速 中子、质子与其他物质反应生成的放射性物质， 比裂变反应堆生成的废物数量少，容易处理）
2、可控制热核反应存在的问题： 现在的技术还不能控制热核反应。
问 １、热核反应的的点火温度很高；地球上 题 没有任何容器能够经受如此高的温度； 有：
２、如何约束聚变所需的燃料；
磁场约束
1、磁约束聚变——托卡马克装置
2、惯性约束聚变
可控热核反应将为人类提供 巨大的能源，和平利用聚变产生 的核量是非常吸引人的重大课题， 我国的可控核聚变装置“中国环 流器1号”已取得不少研究成果。
我国在可控热核反应方面的研究和实验发 展情况。 EAST全超导托卡马克实验装置以探索无限 而清洁的核聚变能源为目标，这个装置也被通 称为“人造太阳”，能够像太阳一样给人类提 供无限清洁的能源。目前，由中科院等离子体 物理研究所设计制造的EAST全超导非圆截面托 卡马克实验装置大部件已安装完毕，进入抽真 空降温试验阶段。我国的科学家就率先建成了 世界上第一个全超导核聚变“人造太阳”实验 装置，模拟太阳产生能量。
2 1
H H He n
2 1 3 2 1 0
聚变后比结合能增加， 反应中会释放能量
2 1
H H He n
3 1 4 2 1 0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
氘核的质量：mD＝2.014102u 氚核的质量：mT＝3.016050u 氦核的质量：mα＝4.002603u 中子的质量：mn=1.008665u
热核反应和裂变反应相比较，具有许多优越性。
（每升水中就含有0.03g氘，地球上有138.6亿亿 立方米的水，大约有40万亿吨氘。氚可以利用锂 来制取，地球上锂储量有2000亿吨）
3、轻核聚变更为安全、清洁
（高温不能维持反应就能自动终止，聚变产生的 氦是没有放射性的。废物主要是泄露的氚，高速 中子、质子与其他物质反应生成的放射性物质， 比裂变反应堆生成的废物数量少，容易处理）
2、可控制热核反应存在的问题： 现在的技术还不能控制热核反应。
问 １、热核反应的的点火温度很高；地球上 题 没有任何容器能够经受如此高的温度； 有：
２、如何约束聚变所需的燃料；
磁场约束
1、磁约束聚变——托卡马克装置
2、惯性约束聚变
可控热核反应将为人类提供 巨大的能源，和平利用聚变产生 的核量是非常吸引人的重大课题， 我国的可控核聚变装置“中国环 流器1号”已取得不少研究成果。
我国在可控热核反应方面的研究和实验发 展情况。 EAST全超导托卡马克实验装置以探索无限 而清洁的核聚变能源为目标，这个装置也被通 称为“人造太阳”，能够像太阳一样给人类提 供无限清洁的能源。目前，由中科院等离子体 物理研究所设计制造的EAST全超导非圆截面托 卡马克实验装置大部件已安装完毕，进入抽真 空降温试验阶段。我国的科学家就率先建成了 世界上第一个全超导核聚变“人造太阳”实验 装置，模拟太阳产生能量。
核工程导论__核电概论
核工程导论主要内容●核电概论●核裂变基础●反应堆概论●核燃料生产●典型核电站系统介绍●乏燃料后处理●核安全●放射性核素及其应用●压水堆核电站运行核电概论主要内容1.核能发展历史与现状2.中国核电的发展3.中国发展核电的理由4.核电的安全性和对环境的影响5.核电的经济性6.相关原子能工业概述目的要求●了解核能的发展历史●了解核电发展的现状●了解中国核电的发展现状●了解中国发展核电的目的与长远规划●了解影响核电发展的主要因素●了解核电的经济性●了解原子能工业的概貌1、核能发展历史与现状原子能的发现●1938年底德国的哈恩（Otto Hahn）和斯特拉斯曼（F.Strassmann)在用中子轰击铀原子核的实验中发现原子核的裂变。
紧接着的实验发现核裂变释放出巨大的能量。
●1939年春法国的约里奥居里(F. Joliot Curie)和美国的意大利人费米(E．Fermi)先后证明铀核在分裂过程中放出2-3个中子，从而确定了持续的链式反应的可能性。
人们立即转向原子能的应用研究。
原子能的率先应用●1939年秋第二次世界大战爆发，美、英、德等在极其保密的情况下开展原子能军事应用的研究-原于弹。
●1942年12月2日芝加哥大学校园里建成了世界上第一座核反应堆，实现了裂变链式反应。
随后在汉福持Hanford地区建成三座石墨水冷生产堆，提供了最初的原子弹所需的钚，同时用电磁分离法生产出高浓缩铀。
●1945年制成了三颗原子弹。
日本的广岛和长崎．造成二十万人的伤亡。
重要的人和装置人类第一次原子弹试验“漫天奇光异彩有如圣灵逞威只有一千个太阳才能与其争辉我是死神我是世界的毁灭者”人类第一次使用原子弹广岛：1945.8.680%的建筑化为灰烬，64000人丧生，72000人受伤，伤亡总人数53%。
长崎：1945.8.960%建筑物被摧毁，86000人伤亡核大国核武器竞赛●第二次世界大战结束后，美国力图垄断核武器，加紧建设新的核燃料工厂，大量制造、连续试验和不断改进原子弹，同时研制热核武器。
核聚变--优质获奖精品课件 (5)
释放的能量。
答案:×
-8-
7~8
核聚变
粒子和宇宙
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课堂篇
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随堂检测
(3)要使聚变产生,必须克服库仑斥力做功。 (
)
解析:轻核聚变时,要使轻核之间距离达到10-15 m,所以必须克服
库仑斥力做功。
答案:√
-9-
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探究一
核聚变
粒子和宇宙
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探究二
知识归纳
1.聚变发生的条件
要使轻核聚变,必须使轻核接近核力发生作用的距离10-15 m,这要
克服电荷间强大的斥力作用,要求使轻核具有足够大的动能,有一
种办法就是把它们加热到几百万开尔文的高温。
2.轻核聚变是放能反应
光子、中间玻色
胶子分别传递电磁、
子、胶子
弱、强相互作用
质量亏损不是核子个数的减少,核反应中核子个数
是不变的。
-20-
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探究一
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随堂检测
探究二
典例剖析
【例题2】 太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦
核同时放出两个正电子的热核反应,这个核反应释放出的大量能量
(2)恒星的演化
①恒星的形成:大爆炸后,在万有引力作用下形成星云团,进一步
凝聚使引力势能转变为内能,温度升高,直到发光,于是恒星诞生了。
答案:×
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(3)要使聚变产生,必须克服库仑斥力做功。 (
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解析:轻核聚变时,要使轻核之间距离达到10-15 m,所以必须克服
库仑斥力做功。
答案:√
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1.聚变发生的条件
要使轻核聚变,必须使轻核接近核力发生作用的距离10-15 m,这要
克服电荷间强大的斥力作用,要求使轻核具有足够大的动能,有一
种办法就是把它们加热到几百万开尔文的高温。
2.轻核聚变是放能反应
光子、中间玻色
胶子分别传递电磁、
子、胶子
弱、强相互作用
质量亏损不是核子个数的减少,核反应中核子个数
是不变的。
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典例剖析
【例题2】 太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦
核同时放出两个正电子的热核反应,这个核反应释放出的大量能量
(2)恒星的演化
①恒星的形成:大爆炸后,在万有引力作用下形成星云团,进一步
凝聚使引力势能转变为内能,温度升高,直到发光,于是恒星诞生了。
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Plasma
Ions Neutrals
EAST 4WM强流中性束注入
Negative-NBI-BL1
部分大型装置的NBI的参数
Positive-NBI-BL4
装置 名称 PLT 能量 /keV 40 50 80 80-120 80-140 120 流强 /A 60 100 60 60 100 100 功率 /MW 10 10 20 40 40 40
判断：产生的中子是不是各向同性
6
氘氚反应---“人造小太阳”可以最终解决能源问题
吗?
D + T → 4He(3.52MeV) + n(14.06MeV)
重水约占自然界水分子的6700分之一 一升水可抵300多升汽油 聚变能源实际上是取之不尽的可供人类使用上亿年 6Li + n → T + 4He+4.79MeV 7Li + n → n + T + 4He-2.47MeV 锂：它是产生氚的材料。
束靶反应
然可在粒子加速器中或用其它方法如放电将氘核加速达到足够 的能量，用来轰击同样材料的靶或氚。但是，即使我们用此方 法实现聚变反应，所获得的能量输出也是微不足道的。这样的 高能定向粒子流产生的聚变反应称束靶反应
热核反应
作为能源的聚变反应只能在高温下实现。这时物质呈 等离子体态，反应粒子以很高速度进行无规的热运动， 以一定的几率相互碰撞发生反应。这样的反应称热核 反应。
net E 3T 1
1 E fus c T c T 4
劳逊判据
3neT
tE
Pbrem
4 3n T 1 Pfus Pfus Pbrem e 5 tE 5
net E
3T 1 1 1 4 DT EDT c T 1 4 5 5
International Thermal-nuclear Experimental Reactor (ITER) 中国建国以来最大的国际科技合作项目
相对ITER的尺寸比较
40
托卡马克的进展
41
42
聚变能源的和平利用
预期的时间表（Possible Time Schedule）
国内的托卡马克
•
47
托卡马克磁体系统组成
环向场系统
产生强的环向磁场,与等离子体电流产生的较弱极向磁场形 成具有旋转变换的磁场位形 加热场 平衡场 成形场 反馈场 变压器原理 感应等离子体电流 焦耳热 抵消等离子体向外扩张 多极场 形成拉长截面 配合被动致稳部件 控制等离子体的垂直
极向场系统
48
直线型的装置
Z-pinch 磁镜
21
Pinch
22
等离子体不稳定性
23
各种类型的磁镜
24
环型磁约束装置
25
仿星器和托卡马克
仿星器
稳态,无破裂 复杂
托卡马克
性能好 脉冲运行
26
仿星器
27
各种类等离子体电流产生极向磁场实现旋转变换，消除磁场 不均匀造成的漂移和粒子损失
KSTAR Korea
ITER, one of a kind, but not the first fusion facilitiy
Plasma edge effect
ITER specific issues: Dust tritium invento
TRIAM, J
EAST, China
ITER 装置
据有关资料预 测，到本世纪中叶 前后，全世界能源
300
消费的需求将超过
传统能源的供给能 力，必需开发新的 能源以弥补消费的 需求！
200
World energy consumption
100
Energy available (fossil， hydro，non-breeder fission)
0 1900
核聚变工程导论
1
主要内容
堆芯等离子体物理 包层与偏滤器 磁体与电源 加热系统 真空室 抽气系统 加料系统 水冷及氚系统 材料辐照损伤及聚变堆材料 环境与安全
2
参考书目
物理
磁约束聚变-原理与实践，石秉仁，原子能出版社，1999 核聚变原理，朱士尧，科大出版社，1988 Tokamak (4nd) , John Wesson, Clearendon Press, 1997 托卡马克实验的工程基础，秦运文，原子能出版社，2011 聚变堆原理及其应用，邱励俭，科学出版社，2008
4.5
4.5 3.9 8.0 2.8 1.4
0.68
2.0 1.4 1.3 0.8 0.17 超导磁体 Ｈ模 强磁场 杂质问题 截面形状
32
TFTR
日本JT-60装置
欧洲JET，英国，Culham
36
主要磁约束核聚变装置
EAST Tokamak China
ASDEX-U Germany
Tore Supra France
10
聚变需要亿度高温
劳逊判据（Q＝1）
T>10keV （1亿度）
nt > 3x1020m-3s
实现聚变反应的条件
温度 > 10 KeV 约束
12
劳逊判据
1 2 3neT 3neT 4 ne E fus Pbrem t t Pbrem E E
工程
托卡马克装置工程基础，袁保山，姜韶风，陆志鸿，原子 能出版社，2011
3
400
Assumes world population stabilizes at 10 billion，consuming at 2/3 U.S. 1985 rate. Shortfall must be supplied by afterative sources.
HL-2A 极向场系统
1, 2, 3 – 多极场线圈 4 – 真空室 5 – 环向场线圈 6 - 欧姆线圈 7 – 等离子体
托卡马克的平衡
Grad-Shafranov方程
2 2 1 0 Rj 2 2 R R z R
( R 2 )
得失相当
3n T 1 PDT e Pbrem 5 tE
net E 3T 1 20
DT
EDT c T
自持燃烧
13
实现聚变的三种途径
美国Nova激光聚变装置
1985年建成，10路 45000焦耳，1纳秒 2倍频/3倍频
美国国家点火（NIF）激光聚变装置
2003年建成, 192 束 180万焦耳，3纳秒 500TW，近紫外光
等离子体电流还可以起到加热的作用
29
托卡马克的进展
30
主要的托卡马克装置
T-3 T-4 ST PLT ALCATOR-C FT TFTR JET JT-60 DIIID ASDEX ITER DEMO 国内
CT-6 HT-6B HT-6M HL-1 HL-2A HT-7 EAST
31
主要大中型托卡马克装置（国外）
装置名称 JT-60U TFTR JET DIII D 地点 JAERI Princeton Abinhdon GA 大半径 (m) 3.4 2.4 3.0 1.67 小半径 (m) 1.1 0.8 1.25 0.67 磁场 (T) 4.2 5.0 3.5 2.1 电流 (MA) 2.5 2.2 5.0 1.6 特点
可以用一种装置将其动能直接转化为电能。这样的转换器由一系列 收集离子的栅状电极构成
8
核聚变与等离子体的关系
聚变反应必须在极高的温度才能发生，原子核 以极高的速度作规则运动，连续相互碰撞，发 生大量聚变，这样的核反应是在核的热运动中 发生的，称为热核反应。 温度T达到108K-109K----高温等离子体是唯一 的途径 冷聚变是一场骗局吗？
2000
2100
2200
2300
Shortfall begins Year (A.D.)
聚变能与能源危机
化石能源 石油 天然气 煤炭 再生能源 水能 风能 太阳能 潮汐能 地热能 生物能 核能 裂变 聚变
5
主要可用聚变反应
D + D → T(1.01MeV) + p(3.03MeV) D + D → 3He(0.82MeV) + n(2.45MeV) D + T → 4He(3.52MeV) + n(14.06MeV) D + 3He → 4He(3.67MeV) + p(14.67MeV)
44
球形托卡马克的进展
环径比A=R/a, A<1.5称球形托卡马克
磁场利用率高 高的比压和安全因子 自然偏滤器位形 无大的破裂 材料问题更严重
球形托卡马克ＭＡＳＴ
46
托卡马克的磁场位形
• 磁场位形主要由强的环向 磁场和等离子体电流产生 的较弱极向磁场组成，磁 面形状为轴对称的环面， 磁力线为绕环面旋转的螺 旋线。 环向磁场和极向磁场相互 叠加使磁力线绕磁轴旋转， 称为旋转变换，它可以抑 制带电粒子漂移造成的损 失。
锂在地球上有比较丰富的儲量，我国可采锂儲量超过数百万吨，粗 糙估计足够用上几干年。而海水中蕴藏的锂比陆地上多至少一个量 级，应该说锂资源也不是问题。 另外,放射性环境污染不严重