核聚变装置人造太阳
人造太阳
相反 ， 氘和氚却是清洁能源 ， 如空气 中平 时就有氘和氚 。 所以不用担心 聚变 反应会产生废气 、 废渣 和放射性污染等问题 。有人担心 电站爆炸 ， 但科学家说 ， 聚变在磁场 中进 行 ， 维持温度 已很不 易 ， 只要稍微 马虎 ， 度就会 降下来 ， 温 聚变
就停止 了， 因此爆 炸的可能性是零 。
氘和氚是取之不尽用之不 竭的能 源。 世界海洋中大概蕴藏 了 ４ ０万亿 吨氘 。 如果全部用 于聚变反应 ， 释放 的能量 足够 人类使用几百亿 年 ， 比太 阳的寿命 这
还要长 了。
（ 自《 选 时事｝ ０ ６年第 六期 ） ２０
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圆圈目 鉴
Ｙ Ｅ Ｕ Ｙ Ｊ Ａ ｓ Ａ Ｇ Ｕ Ｄ Ｕ Ｉ Ｎ Ｈ Ｎ
７这篇 文章 的说 明顺 序 是 什 么？ ．
答：
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８读 了这篇 文章 ． 有何 感想？ ． 你
答：
（ 河北
以上 了？
答：
６ 为 什 么说 氘 和 氚是 清洁 能 源 ？ ．
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７为 什 么不 用担 心核 电站 会 爆 炸 ？ ．
答：
８本 文 的主 要 说 明方 法 有 哪 些 ７ ．
答：
（ 河北
赵新民设计 ）
Ｉ 本说 明文阅读 专题 参考答案详见 ６ ８页 ）
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所以 ， 科学家说 ， 建设核聚变电站投入 民用 ， 至少要再 等上 ５ ０年时间 。 但等 待是值得 的 ！现在地球上 的石油 、 煤炭等化石能源至多 可用 ２ ０年时间 ， 中 ０ 其 石油不足 ５ ０年。即使 目前核裂变 电站使用 的铀燃料 ， 全世界也只能再开采 ６ ０
世界首个全超导核聚变实验装置1剖析
2010年12月24日,中国新一代“人造太阳”实验装置、世界首个全超导托卡马克(EAST 2010年度实验圆满结束,目前已获得1兆安等离子体电流、100秒1500万度偏滤器长脉冲等离子体、大于30倍能量约束时间高约束模式等离子体、3兆瓦离子回旋加热等多项重要实验成果。
图为全超导托卡马克(EAST实验装置全景。
新华社记者郭晨摄新华社合肥1月14日电记者14日从中科院合肥物质研究院了解到,我国新一代“人造太阳”实验装置EAST中性束注入系统(NBI测试台近日在进行大功率离子束引出实验过程中,首次成功获得兆瓦级强流离子束。
负责这项研究工作的胡纯栋研究员介绍说,EAST中性束注入系统(NBI测试台在实验过程中,成功获得束能量50千伏,束流22安培,束脉宽106毫秒的引出束流,离子束功率达到1.1兆瓦。
测试结果圆满达到了EAST-NBI兆瓦级强流离子源研制的阶段性计划目标。
这表明我国自主研制的第一台兆瓦级强流离子源以及大功率中性束注入器实验装置,完成了具有里程碑意义的阶段性实验成果。
据介绍,“EAST装置辅助加热系统”是国家“十二五”大科学工程,2010年7月正式立项,它是使EAST具有运行高参数等离子体的能力,从而可以开展与国际热核聚变反应堆密切相关的最前沿性研究的重要系统。
其主要包括低杂波电流驱动系统、中性束注入系统这两大系统。
中性束注入系统广泛涉及等离子体物理、强流离子束、精密机械制造、高真空、低温制冷以及辐射防护等多学科技术领域。
中科院合肥物质研究院NBI工程团队的科研人员2011年下半年,夜以继日地对基于NBI综合测试平台的强流离子源装置进行放电测试、老化锻炼、子系统联调等逐项实验,在首先获得离子源100秒长脉冲等离子体放电的基础上,终于首次达到了兆瓦级强流离子束研制的阶段性计划目标。
胡纯栋介绍,此次实验结果将为下一阶段长脉冲高能量的离子束调试打下坚实基础,并为EAST辅助加热系统最终目标——2至4兆瓦中性束注入系统的研制提供强有力的可靠支持。
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。
激光核聚变点火成功 “人造太阳”指
9核聚变的研究。
想要两个原子核克服电排斥力结合，需要极为苛刻的条件。
以太阳为例，其中心有高达1500万摄氏度的超高温，以及约有3000亿个大气压的超高气压。
可控核聚变往往被称为“人造太阳”，需要模拟太阳中心的环境。
实现可控核聚变有两条主流的技术路径：磁约束核聚变和惯性约束核聚变。
地球上无法实现太阳的超高压，但如果把核燃料加热到1 亿摄氏度以上，原子核便会有足够的动力相互碰撞，发生聚变反应。
但一旦到了这一温度，所有固态材料会直接汽化。
上世纪50年代，苏联科学家研制出一个形似甜甜圈的“炼丹炉”，被称为托卡马克装置。
它在环形圈内构建磁场约束核燃料，使其不与高温的容器壁接触，可以持续燃烧一段时间，产生能量。
此后，世界范围内曾掀起托卡马克建设热潮，美国、欧洲、日本、中国都斥巨资打造了这类大型装置。
而惯性约束核聚变，是通过激光产生巨大压强，使核燃料体积在瞬间变小，密度变大，原子核发生聚变反应。
世界上最知名的装置，当192束超高能量的激光束同时轰击一颗胡椒粒大小、装有氘和氚元素的圆柱体时，会产生什么结果？当地时间2022年12月5日，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）开展这项实验，“奇迹”发生了。
激光束为圆柱体提供2.05 兆焦耳的能量后，输出了3.15兆焦耳的核聚变能量。
12月13日上午，美国能源部与美国核安全管理局专门召开新闻发布会，宣布这一重大突破。
美国能源部部长詹妮弗·格兰霍姆称，“这是一个具有里程碑意义的成就”，未来将激发更多的发现，为美国国防和清洁能源的发展铺平道路。
一直以来，可控核聚变被认为是“人类的终极能源”，但历经70多年的研究后，仍处在实验阶段。
“点火”，即核聚变产生的能量超过激光束打入的能量，是可控核聚变走入现实必要的指标之一。
“只有这种情况下，这一装置才有望提供能源，而不只是一个耗电器。
”中山大学中法核工程与技术学院副教授王志斌向记者解释说，LLNL 这次的实验从科学层面证明了，惯性约束聚变可以实现净能量增益。
国际热核聚变实验计划 七国联手获取“人造太阳”
国际热核聚变实验计划——七国联手获取“人造太阳”国际热核聚变实验计划——七国联手获取“人造太阳”工程总投资：100亿美元工程期限：1985年——2030年热核聚变在太阳上已经持续了50亿年国际热核聚变实验反应堆计划（International Thermonuclear Experimental Reactor，简称ITER）与国际空间站、欧洲加速器、人类基因组计划一样，是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一。
其目的是借助氢同位素在高温下发生核聚变来获取丰富的能源。
1985年，由美苏首脑提出了设计和建造国际热核聚变实验堆ITER的倡议；也被称为“人造太阳”计划。
ITER的投资和建设规模之庞大，交叉学科种类之多，实验设备之复杂，都决定了它必须由多国合力完成。
该计划约需耗时35年，耗资100亿美元，涉及领域包括超导研究、高真空、生命科学、遥控密封、环境科学、等离子计量和控制、信息通信、纳米材料等多种学科，它的最终选址一直是参与国竞争的焦点。
先后有西班牙、法国、日本和加拿大4个国家提出申请将实验堆建在本国，日本和法国最终入围，加拿大则因没有入围而于2003年12月23日宣布因缺乏资金退出。
美国因自认为在核聚变技术上领先其他国家，曾于1999年宣布退出，后又因国内热核聚变研究进展缓慢，担心被ITER甩下，于2003年2月18日重新加入。
中国也在同日正式入盟。
2005年6月28日，在计划提出20年，选址耗时18年后，ITER的建设地点终于花落法国的卡达拉舍，它将成为世界第一个产出能量大于输入能量的核聚变装置，为制造真正的反应堆作准备。
合作承担ITER计划的7个成员是欧盟、中国、韩国、俄罗斯、日本、印度和美国，这七方包括了全世界主要的核国家和主要的亚洲国家，覆盖的人口接近全球一半。
为建设ITER，各参与方专门协商组建了一个独立的国际组织，各国政府首脑在过去几年中都采取不同方式对参加ITER计划作出过正式表态。
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。
中国人造太阳什么时候投入使用
可控核聚变反应装置，俗称"人造太阳"，与当前核能相比，这是一种完全不同的、全新的核能使用模式。
新华社11月26日发布消息称，我国新一代的可控核聚变研究装置"中国环流器二号M"目前建设顺利，预计2020年投入运行，开展相关科学实验。
目前，在全球民用核聚变技术方面，我国已经走在世界最前列。
核聚变与核裂变，都是核反应的方式，但是二者却有着天壤之别。
核裂变的基本原理是通过使用中子轰击铀或者钚原子核，使其"裂变"为两个轻原子，并同时释放出能量。
而核聚变是两个轻原子"聚合"成为一个重原子，并释放出能量。
根据爱因斯坦E=MC可知，当核裂变时，由于释放的是原子核内部的能量，因此其强度要超过一般化学能的千百倍；但是如果是两个轻原子聚合为一个重原子，其释放的结合能又要超过核裂变的千百倍！所以，尽管同属于核反应，但由于反应的方式不同，其能量密度也有巨大的差异。
人类对于核能最初的利用其实是武器，也就是今天所说的原子弹和氢弹。
其中原子弹就是利用裂变技术制造的裂变弹；而氢弹则是利用核聚变技术制造的聚变弹。
但是由于核聚变需要上百万摄氏度的高温，这种条件在常规条件下无法实现，所以，通常条件下，氢弹都需要原子弹做"扳机"，利用原子弹爆炸时产生的高温来促成聚变反应，进而发生核聚变级别的爆炸。
而且由于原子弹受临界质量的限制，其最大爆炸威力通常不超过30万吨TNT当量，但是核聚变没有此类影响，因此聚变弹理论上可以造到无限大。
所以迄今为止，全球绝大多数核武器储备都是聚变弹，也就是氢弹；而原子弹的使用已经非常少。
由于核裂变和核聚变都能产生巨大的能量，因此在常规民用领域有着巨大的市场前景。
换句话说，把核爆炸瞬间释放的能量以人类可以接收和利用的形式缓慢释放出来，这就是民用核技术的基本原理。
在这方面，由于核裂变技术的门槛要求低，当前人类技术可以实现，因此早已被广泛应用在核电领域。
中国“人造太阳”诞生记
中国“人造太阳”诞生记有一部小说叫《中国太阳》，讲的是农村小伙水娃不断奋斗，借助“中国太阳”工程成为深空宇宙开拓者，为人类解决能源问题的故事。
现实中，中国真的有“人造太阳”，而且有两个：一个在安徽合肥西郊“科学岛”上的中国科学院合肥物质科学研究院内，是有着“东方超环”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）；另一个则是位于四川成都中核集团核工业西南物理研究院的中国环流器二号M装置（HL-2M）。
2021年5月28日，“东方超环”再次刷新了世界纪录：在其第98 958次放电中，成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，是1亿摄氏度20秒原纪录的5倍。
这意味着我们距离“人造太阳”的梦想又近了一步，标志着我国在稳态高参数磁约束聚变研究领域将继续引领国际前沿。
用羽绒服、牛仔裤等生活物资换来托卡马克制造“人造太阳”面临一个突出的现实问题：用什么容器来承载核聚变？要在地球上利用核聚变能量，在人工控制条件下等离子体的离子温度需达到1亿摄氏度以上，而目前地球上最耐高温的金属材料钨的熔化温度约为3 000摄氏度。
这意味着，找不到盛装如此高温等离子体的容器。
从20世纪50年代开始，我国与国际基本同步，开始了在可控核聚变领域的研究，并于1965年在四川乐山建成了我国核聚变研究基地——西南物理研究所（今中核集团核工业西南物理研究院）。
当时，国际上不同的技术路线此消彼长，最终苏联科学家提出的托卡马克方案异军突起，国际核聚变界的重点研究方向随之转向了托卡马克。
20世纪70年代，国家拟在合肥建造一个当时世界先进水平的大型热核反应实验装置。
选择合肥的一个重要原因是，中科院电工所已于20世纪60年代在合肥建成一个储能达到2亿焦耳的大型储能电感装置（又称为“八号电感”）。
此电感装置能为热核聚变装置的强大脉冲电源提供重要支持。
当时策划中的托卡马克实验装置就被命名为“八号装置”，向国家申请立项的大科学工程项目就被称为“八号工程”。
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核聚变能 和 等离子体
在极高温下
物质将成为完全电离的
高温等离子体
可实现氘—氚核聚变反应 并释放出巨大聚变能 核聚变能源是人类未来 理想清洁的新能源
气体 等离子体
三种约束极 高温热核聚变 燃料等离子体 的途径：
重力约束；
惯性约束；
ASIPP
核聚变装置简介
ASIPP
核聚变原理及其装置 中国核聚变装置 国际核聚变装置ITER
世界能源消耗
假设世界人口将达 到100亿
世界能源消耗很快 将超过现有的能源 资源
短缺的能源必须要 有新的可供选择的 替代能源
根据98年世界能源委员会发表的统计数据，按98年世 界能源消耗量计算，已探明的可用储量：
ICRH 3 MW
6 MW
LHCD 3.5 MW
8 MW
ECRH 0.5 MW
1.5 MW
NBI
8 MW
Pulse length
1000 s
Configuration:
Double-null divertor Single-null divertor
EAST
EAST 托卡马克装置本身包括许多重要部件
装置主机
Superconducting Tokamak Machine
低温系统 cryogenic and refrigerator system
电源系统 Power supply system
真空抽充气系统 Vacuum pumping and
gas puffing system
诊断系统 Diagnostic system
ASIPP
核聚变能是人类可持续发展 最理想的清洁新能源
太阳上无穷尽的能量来 源于氢H+H 核聚变反应
1H + 1H → 2D+ β+ +γ 1H + 2D→3He +γ
3He + 3He → 4He + 1H + 1H
太阳的聚变能量以光辐射形式进入宇 宙，其中十亿分之一进入地球区域， 约一半到达地球表面,功率约等于8.2 ×1010 MW, 相当于45万个长江三峡水 电站的功率
石油 ~ 可用 50年； 天然气 ~ 可用 70年； 煤炭 ~ 可用 200年； 天然铀 ~ 可用 60年； 如果把全部资源纳入考虑 大约也只能用200~300年
人类面临的能源问题
能源是社会发展的基础； 化石燃料不仅储量有限，而且将造成严 重的生态环境破坏和污染； 预期200多年后，整个人类将面临一次能 源枯竭的严重问题； 因此，人类必须进行并尽快完成战略新 能源的开发研究！
Main Parameters of the EAST
Nominal
Upgrade
Bo
3.5 T
IP
1 MA
Ro
1.7 m
a
0.4 m
4.0 T 1.5 MA 1.7 m 0.4 m
R/a
4.25
4.25
Kx
1.2-1.5
δx
0.2-0.3
Heating and Driving:
1.5-2 0.3-0.5
测试系统 Test Facility System
ASIPP
国际核聚变装置ITER
关于 ITER
ITER
(International Thermal-nuclear Experimental Reactor)
ITER 一个可产生 50-70 万千瓦 聚变功率的燃烧等离子体实验反应堆 （总投资 50+50 亿欧元）
等离子体电流磁场
极向场线圈
等离子体电流 纵场线圈
Tokamak (托卡马克）— 是一种环形磁容器
ASIPP
开发聚变能的研究已在 托卡马克类型的实验装置上
取得了突破性进展
ASIPP
• 最高温度达到 2-4 亿度； • 最高聚变输出功率超过
16 兆瓦； • 聚变输出功率/输入功率,已
达到 1.25； • 可以建造聚变实验堆ITER
1997年国家科技领导小组同意立项， 2000年10月发改委批准开工报告，正式开工。 要求五年内建成；经费1.65 亿; 实际3.2亿左右
ASIPP
科学目标
建成一个具有非圆小截面的全超导托卡马克； 在其上实现高参数长脉冲和稳态运行； 使中国开发核聚变能的研究进入国际前沿； 为人类最终能够使用清洁而又无限的核聚变 能做出重要贡献。
项目主要内容 The project main tasks
实验大厅 Experimental Hall
水冷系统
控制系统 Control and data
Water cooling system processing system
加热及驱动系统 Non-inductive current drive and heating system
托卡马克上开发核聚变能科学可行性已得到证实！
中国核聚变装置
我国磁约束聚变研究机构的演变
（1958-2008）
HT-7超导托卡马 克
HL-2A托卡马 克
我国独立自主研制的世界上第一个全超导托卡 马克装置 EAST
项目名称
EAST
（Experimental Advanced Superconducting Tokamak） （实验的、先进的超导托卡马克）
中国的能源问题
目前人口约13亿，2050年预期将达15~16亿； 人均能源消耗约为世界平均人均消耗的1/2；发达 国家的1/10；美国的~1/13； • 中国人口约为美国人口的5 ~ 6 倍； • 如果中国达到美国目前人均耗能水平，总的能源用 量将是现用量的13倍，相当于5~6个美国的总用量； • 二氧化碳排放量目前美国第一，中国已居世界第二； 中国将面临更为严重的能源短缺和环境污染问题！
地球上最容易实现的核聚变反应：
D(氘) + T(氚) 4He(氦) + n(中子) n(中子) + 6Li(锂) 4He (氦) + T (氚)
实现上述反应的条件:
温度大于 一 亿度；
密度大于 2.5 x 10 20 m -3
能量约束时间大于 1-2 秒
一克铀235（核裂变燃料） ~ 1.8 吨石油 一克氘-氚（核聚变燃料) ~ 8 吨石油
磁约束；
三种约束途径
ASIPP
托卡马克——Tokamak 是一个
环形Байду номын сангаас约束核聚变实验装置
磁约束
磁约束 和 托卡马克
托卡马克
磁场可以约束带电粒子
磁容器可盛装和约束高温等离子体
Tokamak — 是一种环形磁容器
托卡马克环形磁容器的基本构成
构成托卡马克环形磁容 器的三个基本磁场：
纵向磁场； 极向磁场