聚变能和ITER计划
核聚变能源：未来清洁能源的梦想
核聚变能源：未来清洁能源的梦想在人类追求无限能量的漫长历史中，核聚变能源如同一颗璀璨的星辰，照亮了我们前进的道路。
它被誉为“人造太阳”，拥有着无尽的潜力和希望。
然而，这个梦想真的能实现吗？让我们一起来探讨一下。
首先，让我们用一个形象生动的比喻来形容核聚变能源。
它就像是一座巨大的宝藏，埋藏在地球深处。
我们需要挖掘、探索、研究，才能找到它的价值所在。
这个过程充满了挑战和不确定性，但正是这种挑战激发了科学家们的热情和决心。
然而，要实现核聚变能源的梦想并非易事。
我们需要面对许多困难和挑战。
首先，我们需要解决技术难题。
目前，我们还无法完全掌握核聚变的基本原理和技术手段。
这就像是一场没有终点的马拉松比赛，我们需要不断努力，才能逐渐接近目标。
其次，我们需要克服经济压力。
核聚变能源的研发需要大量的资金投入，而且短期内很难看到明显的回报。
这就像是一场赌博，我们需要冒着巨大的风险，才能获得丰厚的回报。
然而，正是这种冒险精神推动了科技的发展和进步。
此外，我们还需要面对环境问题。
虽然核聚变能源被认为是一种清洁、可再生的能源，但在实际应用中仍然存在一定的风险和隐患。
例如，核聚变反应会产生大量的放射性废物，如果处理不当，可能会对环境和人类健康造成严重的影响。
因此，我们需要加强研究和监管，确保核聚变能源的安全和可持续发展。
尽管面临诸多困难和挑战，但我们仍然有理由相信核聚变能源的梦想是可以实现的。
首先，我们已经取得了一些重要的突破。
例如，国际热核聚变实验堆（ITER）项目正在建设中，预计将在本世纪中叶实现首次等离子体放电。
这是一个令人振奋的消息，为我们指明了前进的方向。
其次，我们拥有强大的科研实力和创新能力。
全球各地的科学家都在致力于核聚变能源的研究，他们通过不断的实验和探索，逐步揭示了核聚变的奥秘。
只要我们坚持不懈地努力下去，相信终有一天我们会实现这个伟大的梦想。
最后，我们需要全社会的支持和参与。
核聚变能源的研发不仅仅是科学家的事情，也是全社会的责任。
人造太阳
人造太阳百科名片所谓“人造太阳”，即先进超导托卡马克实验装置，也即国际热核聚变实验堆计划(ITER)建设工程，是当今世界迄今为止最大的热核聚变实验项目，旨在在地球上模拟太阳的核聚变，利用热核聚变为人类提供源源不断的清洁能源。
核聚变能以氘氚为燃料，具有安全、洁净、资源无限3大优点，是最终解决我国乃至全人类能源问题的战略新能源。
简介人造太阳是可控核聚变的俗称，因为太阳的原理就是核聚变反应。
（核聚变反应主要借助氢同位素。
核聚变不会产生核裂变所出现的长期和高水平的核辐射，不产生核废料，当然也不产生温室气体，基本不污染环境）人们认识热核聚变是从氢弹爆炸开始的。
科学家们希望发明一种装置，可以有效控制“氢弹爆炸”的过程，让能量持续稳定的输出。
科学家们把这类装置比喻为“人造太阳”。
人造太阳“人造太阳”是指科学家利用太阳核反应原理，为人类制造一种能提供能源的机器——人工可控核聚变装置，科学家称它为“全超导托克马克试验装置”。
（托卡马克是“磁线圈圆环室”的俄文缩写，又称环流器。
这是一个由封闭磁场组成的“容器”，像一个中空的面包圈，可用来约束电离子的等离子体。
）太阳的光和热，来源于氢的两个同胞兄弟——氘和氚（物理学叫氢的同位素）在聚变成一个氦原子的过程中释放出的能量。
“人造太阳”就是模仿的这一过程。
氢弹是人们最早制造出的“人造太阳”。
但氢弹的聚变过程是不可控的，它瞬间释放出的巨大能量足以毁灭一切。
而“全超导托克马克试验装置”却能控制这一过程。
通过一种特殊的装置已经可以把氘氚的聚变燃料加热到四亿到五亿度的高温区，然后在这么高的温度下就发生了大量的聚变反应。
目前在世界上最大的托克马克装置“欧洲联合环”上面已经获得了最大的聚变功率输出，到了16到17兆瓦。
但是只能短暂地运行，也就是这个“磁笼”只能存在几秒、十几秒钟，聚变反应也是昙花一现！背景100年前，爱因斯坦预见了在原子核中蕴藏着巨大的能量。
依据他提出的质能方程E＝mc2，核聚变的原理人造太阳看上去极其简单：两个轻核在一定条件下聚合成一个较重核，但反应后质量有一定亏损，将释放出巨大的能量。
核聚变技术和可控核反应实验进展评估
核聚变技术和可控核反应实验进展评估核聚变技术一直被视为能源领域最具潜力的能源形式之一。
与核裂变不同，核聚变是一种将轻原子核融合成重核的过程，释放巨大能量的同时，不会产生高放射性废料。
随着可控核反应实验的不断进展，科学界对于核聚变技术的实用化前景越来越乐观。
在核聚变研究领域，可控热核聚变实验被广泛认为是最有潜力实现可持续能源的方法。
这一实验以等离子体中的氘和氚核聚变为基础，产生高温高压的等离子体条件，维持核聚变反应的持续进行。
如此高温高压，让氢等离子体能够克服库仑排斥力，使得核融合能够发生。
这样的聚变反应释放出的能量比核裂变反应释放的能量更为庞大。
这使得可控核反应实验备受关注。
在可控核反应实验中，国际热核聚变实验堆（ITER）是当前最大规模的可控核反应实验项目。
ITER计划于2025年开始运行，目标是证明并实现长时间稳态等离子体的维持。
该实验堆采用托卡马克磁约束技术，通过巨大的磁场将等离子体限制在一个环形容器中，并保持高温高压条件。
ITER的成功运行将验证核聚变反应的可行性，并为后续的商业化应用奠定基础。
除了ITER之外，国际上还有其他一些重要的可控核反应实验项目。
例如，中国的东方超环和美国的国际实验反应堆（DEMO）项目都致力于研究更先进的磁约束装置，以提高反应效率和可持续性。
这些实验项目的进展对于核聚变技术的发展与应用具有重要意义。
在过去几十年中，核聚变技术取得了显著的进展。
但是，仍然有一些挑战亟待解决。
首先，制造可承受极端温度和压力环境的材料是一个重要的问题。
当前的研究正在寻找更耐高温、高压、低活化特性的材料，以应对核聚变反应的环境要求。
其次，实现可持续的燃料循环也是一个挑战。
目前主要使用的氘和氚等稀有同位素并不是广泛可得的，因此需要开发更具可持续性的燃料来源。
最后，核聚变技术需要建设大规模的设施，这对于资金和技术支持都是一个挑战。
尽管目前仍然存在一些技术和经济上的困难，但核聚变技术的发展仍然被视为未来能源解决方案之一。
可控核聚变与ITER计划_冯开明
第23卷第5期2006年10月现代电力M odern Electric Pow erV o l123N o15O ct12006文章编号:1007-2322(2006)05-0082-07文献标识码:A中图分类号:T M63112+4可控核聚变与ITER计划冯开明(核工业西南物理研究院,四川成都)摘要:本文简要介绍了我国能源的基本情况,核聚变能和可控核聚变的基本原理,国际热核聚变实验堆ITER的历史与现状。
最后,对我国磁约束核聚变的研究发展做了简要回顾。
关键词:可控核聚变;ITER计划;磁约束;托卡马克0引言能源是社会经济发展的物质基础,随着社会的发展和人类文明的进步,人类对能源的需求也越来越大。
从化石燃料提供的能源来看,地球上的化石燃料资源有限,煤储量有可能维持200年左右,石油、天然气仅能维持几十年;另一方面大量使用化石燃料,特别是煤炭,造成了严重的环境污染,而且能源结构单一,经济效益不合理。
我国有13亿人口,目前的人均能源消耗仅为世界人均能耗的1/2,发达国家的1/40,主要能源是煤,而人均占有量远远低于世界水平。
中国GDP正以年增长7%~8%的高速度发展,预计到2050年我国人口将增至15~16亿,根据国家发展远景规划,届时我国的人均GNP将为4000~6000美元,对能源将有巨大的需求。
因此,我们将比其他任何国家更快遇到能源短缺和大量使用化石燃料造成严重环境污染的问题。
从长远来看,核能将是继石油、煤和天然气之后的主要能源,人类将从/石油文明0走向/核能文明0。
目前我国正在运行的核电站都是核裂变电站。
核裂变虽然能产生巨大的能量,但远远比不上核聚变。
另一方面,裂变堆的核燃料蕴藏极为有限,而且存在棘手的废物处置问题。
因此,核聚变能被称为人类未来的永久能源。
从我国巨大的能源需求、资源的限制、环境的压力和核聚变研究进展来看,发展聚变能是改善未来能源结构,推动在半世纪实现能源顺利换代的根本出路。
经过近半个世纪的努力,国际聚变研究已经取得长足的进展,由欧盟、中、日、俄、美、韩、印七方参与的国际热核聚变实验堆IT ER计划,已经进入建设阶段。
ITER计划的目标
ITER计划的目标ITER设计总聚变功率达到50万千瓦，是一个电站规模的实验反应堆。
其目标：在和平利用聚变能的基础上，探索聚变在科学和工程技术上的可行性。
其作用和任务：用具有电站规模的实验堆证明氘氚等离子体的受控点火和持续燃烧，验证聚变反应堆系统的工程可行性，综合测试聚变发电所需的高热流和核部件，实现稳态运行，从而为建造聚变能示范电站奠定坚实的科学基础和必要的技术基础。
1. ITER计划的科学目标ITER运行第一阶段的主要目标是建设一个能产生50万千瓦聚变功率、有能力维持大于400秒氘氚燃烧的托卡马克聚变堆。
在ITER装置中将产生与未来商用聚变反应堆相近的氘氚燃烧等离子体，供科学家和工程师研究其性质和控制方法，这是实现聚变能必经的关键一步。
在ITER装置上得到的所有结果都将直接为设计托卡马克型商用聚变堆提供依据。
ITER装置的建造是受控热核聚变研究的新阶段，也是人类更接近实现受控聚变能的标志。
图1 ITER装置示意图ITER运行的第二阶段将探索实现具有持续、稳定、高约束的高性能燃烧等离子体。
这种高性能的“先进燃烧等离子体”是建造托卡马克型商用聚变堆所必要的。
ITER计划在后期还将探索实现高增益的燃烧等离子体。
ITER计划科学目标的实现将为商用聚变堆的建造奠定可靠的科学和工程技术基础。
2、ITER计划的工程技术目标ITER计划的另一重要目标是通过创造和维持氘氚燃烧等离子体，检验和实现各种聚变技术的集成，并进一步研究和发展能直接用于商用聚变堆的相关技术。
在过去十余年中，与建设ITER有关的技术研发已经基本完成。
目前建造ITER 的技术基础已经基本具备。
ITER现有的工程设计有相当坚实的技术基础，是完全可以实现的。
ITER 计划在技术上的另一重要任务是检验各个部件在聚变环境下的性能，包括辐照损伤、高热负荷、大电动力的冲击等，以及发展实时、本地的大规模制氚技术。
上述工作是设计与建造商用聚变堆之前所必须的，而且只能在ITER上开展。
可控核聚变能源发展史
可控核聚变能源发展史
可控核聚变能源是一种旨在实现永久清洁能源的技术。
其发展历程可以追溯至20世纪50年代，当时科学家们开始了研究实现可控核聚变的尝试。
随着时间的推移，这项技术逐渐发展成为当今世界一个备受关注的领域。
在可控核聚变能源的发展历史中，有许多里程碑事件。
其中最重要的一项是1983年开始的国际热核聚变实验堆（ITER）计划。
此计划旨在建造一个可供研究和实验的大型核聚变反应堆，从而进一步推动技术的发展。
在过去几十年中，可控核聚变能源的研究取得了巨大的进展。
许多国家都加入了这一领域的研究和开发工作，包括美国、欧盟、日本、中国等。
这些国家团结合作，在研究和开发可控核聚变能源方面取得了一系列突破。
虽然可控核聚变能源的研究仍面临许多挑战，但人类已经取得了重要的进展，为实现清洁能源做出了不可磨灭的贡献。
随着技术不断进步，相信可控核聚变能源将会成为人类实现清洁能源的重要手段之一。
- 1 -。
聚变能源研究
聚变能源研究聚变能源研究一直以来都是科学家们的追求，因为这种能源被认为是解决全球能源危机和气候变化问题的最佳选择之一。
在过去的几十年里，科学家们致力于研发可控核聚变，以实现可持续的清洁能源供应。
本文将介绍聚变能源的原理、研究进展以及面临的挑战。
聚变是一种核反应过程，它通过将两个轻元素（通常是氘和氚）融合成一个更重的元素来释放巨大能量。
与核裂变不同，聚变过程中产生的废物几乎没有辐射性，因此被认为是清洁能源。
聚变能源最有望实现的方式是磁约束聚变。
这项技术依靠强大的磁场将等离子体束缚在一个封闭的环境中，使其达到足够高的温度和密度，从而使聚变反应发生。
最著名的磁约束聚变设施是国际热核聚变实验堆（ITER），它是一个由世界各国合作建设的大型聚变实验设施。
聚变能源的研究进展取得了显著的突破，但仍面临着许多挑战。
首先，聚变反应需要非常高的温度和压力，才能克服原子核间的库仑斥力。
目前，科学家们正在最大程度上提高等离子体的温度和密度，以增加聚变反应的效率。
其次，如何有效地控制聚变过程，以保持稳定的等离子体状态，仍然是一个巨大的技术难题。
因为在过高的温度和密度下，等离子体容易变得不稳定并且难以控制。
此外，聚变能源的建设成本也是一个严峻的问题。
迄今为止，聚变能源的研发和建设需要巨大的投入，而且仍然存在经济性的挑战。
尽管聚变能源的研究面临诸多挑战，但它仍然被认为是未来能源的希望之一。
聚变能源具有很多优势。
首先，聚变能源的资源非常丰富，可以通过水解氘氚等方法获取。
其次，聚变能源的废物几乎没有辐射性，不会对环境和人类健康造成重大危害。
此外，聚变能源的出力连续稳定，可以满足持续供电的需求。
最重要的是，聚变能源的核心燃料氘可以在地球上大量获取，而氢是宇宙中最丰富的元素之一。
近年来，聚变能源的研究得到了全球范围内的重视和支持。
世界各国纷纷投入资金和人力资源，加快聚变能源技术的研究和发展。
国际合作项目ITER是最重要的里程碑之一，它旨在验证聚变能源的可行性，并为未来商用聚变能源的实现奠定基础。
聚变产业的趋势
聚变产业的趋势聚变产业的趋势聚变是一种可以提供廉价、几乎无污染的清洁能源的理论和实验技术。
聚变反应是将两个轻核原子聚变成一个更重的原子的过程，释放出巨大能量。
这种反应是太阳和恒星中的主要能源来源，也被称为“太阳在地球上的复制”。
聚变产业的发展被认为是解决全球能源危机和减缓气候变化的重要方向之一。
本文将探讨聚变产业的趋势以及可能的影响。
一、聚变产业的背景聚变能源的追求已经持续数十年。
在20世纪50年代末至60年代初，聚变能源的研究引起了全球范围内的关注。
美国、苏联、欧洲和日本等国纷纷建立了聚变能源的研究计划。
然而，由于技术难题的复杂性和高昂的成本，使得聚变能源的实现一直停滞不前。
随着科技的不断进步和能源需求的增加，聚变产业再次成为研究和发展的热点。
目前，全球范围内有多个聚变项目正在进行，例如国际热核聚变实验堆（ITER）、聚变技术实验堆（DEMO）等。
二、聚变产业的发展现状1. 国际热核聚变实验堆（ITER）项目ITER项目是聚变产业中最具影响力的项目之一。
该项目由35个国家共同合作，旨在建设一个中等规模的可控核聚变装置。
ITER项目的目标是提供持续的聚变功率和长期的能量运营。
预计到2035年，ITER将达到反应热稳定状态，并证明聚变技术的商业可行性。
2. 聚变技术实验堆（DEMO）项目DEMO项目是ITER项目的下一步发展方向。
DEMO旨在建立一个商业化聚变反应堆，以提供大规模的电力，以满足日益增长的能源需求。
DEMO的建设将标志着聚变产业的商业化进程，可能在21世纪中叶实现商业化运营。
3. 私营公司的聚变项目除了国际合作的大型聚变项目外，一些私营公司也开始在聚变领域进行研究和开发。
例如，由磁约束聚变能源（MSE）公司领导的磁约束聚变技术和由特拉韦克斯公司领导的激光聚变技术。
这些私营公司通过创新和灵活性，可能在聚变产业中发挥重要的作用。
三、聚变产业的趋势1. 技术进步聚变产业正面临重要的技术挑战，例如长期稳定的聚变运行、高能量密度的反应、材料耐久性等。
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CEEE
5000-4000 B.C. 石器时代
——人类征服和利用的 第一自然力
4000 B.C.
5000 B.C.
1800’s
Steam Engine 1712
500 B.C.
1000 B.C.
CEEE 世界能源消耗将持续增长 （The energy use of mankind will increase further ）
CEEE 等离子体是什么？（What is plasma?）
等离子体是具有电导性及活性的物质 (Plasma is electrically conducting and very reactive)
n + 6Li -> 4He + T n + 7Li -> 4He + T + n
1 eV = 104 K
D + Li -> 4He + 100 106 kWh/ kg
24
CEEE 聚变的条件是高电势原子核、足够的约束时间及密度
CEEE
聚变与裂变的优势及劣势 Fusion vs. Fission Advantages and Disadvantages
5
CEEE 化石能源的问题 （The problems of fossil energy ）
现有的宝贵化石资源有限 （World Fossil Reserved） 化石能源的污染严重 （Grievous Pollution）
6
CEEE
国际原油价格不断攀高
7
CEEE 2004年我国发电设备装机容量和发电量
T
He
氦 (Helium)
CEEE
D+D D + 3He D+T What does fusion reactor work?
“easiest”: “largest” cross section at “lowest” temperature
D + T -> 4He + n + DE (17.6 MeV)
近忧
石油依赖进口，经济政治受治于人 能源效率低下，全球竞争处于劣势 自主能源技术供给能力严重不足，装备制造业难以持续
10
CEEE
我国化石能源资源严重短缺
来源：上海综合经济简报，2005.02期
资源种类
煤炭 （亿吨）
石油 （亿吨）
天然气 （亿立方米）
水电装机容量 （亿千瓦）
探明储量
开采年限 可开采到
CEEE
What is fission? 什么是裂变？
中子 (Neutron)
n
U
铀 (Uranium)
n
中子 (Neutron)
裂变 (Fission)
CEEE
What is fusion? 什么是聚变？
氘 (Deuterium)
D
中子 (Neutron)
n
氚 (Tritium) 聚变 (Fusion)
CEEE
聚变能与ITER计划
华中科技大学电气与电子工程学院 J-TEXT托卡马克实验室
CEEE
1, 能源历史及现状 (What is the history/status?) 2, 核能及聚变能 (What is nuclear/fusion energy?) 3, 聚变能和ITER的进展 (What have/will happened?) 4，J-TEXT托卡马克简介 （What is the J-TEXT?)
能源 (Energy Source) 优势 (Advantages)
清洁，无CO2 (Clean, no CO2)
劣势 (Disadvantages)
废物处理困难 (Difficult waster disposal) 潜在的安全问题 (Safety concern) 燃料有限 (Limited fuel) 关键技术有待进一步研发 (Huge R&D cost)
~200万吨，33000个车皮 (~2 M ton, 33000 railcar loads)
煤 (Coal) 油 (Oil) 裂变 (Fission)
~130万吨，1000万桶 (~1.3 M ton, 10M barrels) ~30吨UO2，1个车皮 (~30 ton UO2, 1 Railcar loads) ~0.6吨氘，1个小皮卡 (~0.6 ton D, 1 Pickup truck)
Source: NASA, USA
12
CEEE 可能的新能源 (Possible New Energy Sources) 1/6
• 可再生能源 (Renewable energy sources) 1/4
水电 (Hydroelectric Power)
优势：清洁，无CO2 劣势：坝体对生态的影响，受地理地质环境限制 结论： 有限资源
Deuterium
Tritium
28
CEEE
聚变能比裂变能更为巨大 (Fusion energy is much bigger than fission energy)
CEEE
100万kW电站一年所需燃料比较 (Fuel needed for one year of 1000 MW power plant operation)
三峡水电站
13
CEEE 可能的新能源 (Possible New Energy Sources) 2/6
• 可再生能源 (Renewable energy sources) 2/4
地热 (Geothermal)
优势：清洁，无CO2 劣势：受地理地质环境限制 结论： 辅助的补充能源
羊八井地热电站
14
26
CEEE
Why: Fusion fuel inexhaustible and accessible world wide?
为什么聚变原料无限，并且可获得性好？
• Deuterium is abundant in the ocean and can be used by mankind for more than ten billion years. 氘普遍存在于海水中， 可供人类所用几十至 上百亿年。
8
CEEE
中国能源消费增长的主要原因
1. 高耗能重、化工业短期内过度发展。 2. 经济发展和人民生活水平的不断提高。 3. 城市化进程的加快。 4. 居住及交通条件的改善。
9
CEEE
我国能源面临的严峻形势
既有远虑更有近忧！
远虑
矿物(化石、核)能源资源短缺，可再生能源难当重任，人口 众多难以为继 环境污染生态破坏，子孙后代影响深远 温室气体排放的政治压力越来越大
万亿度 TWh (Tera-Watter Hour)
~33%
~13%
World electricity use up to 2100 至2100年全球电力消耗
(Source: World Energy Council and IIASA, 1998)
19
CEEE
1, 能源历史及现状 (What is the history/status?) 2, 核能及聚变能 (What is nuclear/fusion energy?)
裂变能 (Fission)
无直接污染 (No immediate pollution)
清洁，无CO2 (Clean , no CO2)
聚变能 (Fusion)
燃料无限 (Inexhaustible fuel supply) 燃料可获得性好 (Fuel accessible worldwide) 固有安全性，无爆炸及过热 (Inherent safe reactors)
原因（The reasons）:
• 人口的增长（Further growth in the population）; • 工业化的进步（Quick increasing industrialisation of the third world）; • 生活水平的提高 （Increasing prosperity）.
设在美国的太阳能电站
15
CEEE 可能的新能源 (Possible New Energy Sources) 4/6
• 可再生能源 (Renewable energy sources) 4/4
风能 (Wind Power)
优势：清洁，无CO2
劣势：占地面积巨大；受地理地质环境限制 结论： 辅助的补充能源
CEEE
1, 能源历史及现状 (What is the history/status?) 2, 核能及聚变能 (What is nuclear/fusion energy?) 3, 聚变能和ITER的进展 (What have/will happened?) 4，J-TEXT托卡马克简介 （What is the J-TEXT?)
CEEE 可能的新能源 (Possible New Energy Sources) 3/6
• 可再生能源 (Renewable energy sources) 3/4
太阳能 (Solar Energy)
优势：清洁，无CO2
劣势：作为主要能源占地面积巨大； 受地理地质环境限制 结论： 辅助的补充能否在地球上 实现太阳上的持续 核聚变反应？ The sun releases huge fusion energy to the universe in steady-state way. May we govern fusion energy on the earth as we like?
1145
54~81 ~2085
33
15~20 ~2025
11704