《核聚变磁约束》PPT课件
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高中物理 19.7 核聚变课件 新人教版选修35
§7 核 聚 变
学习目标
1. 知道聚变的概念，知道太阳能是热核聚变释放的核能； 2. 知道聚变（热核反应）的条件和优点； 3. 知道海洋中拥有巨大的聚变资源，知道研究受控热核 反应的重大意义。
设计思路
当今世界，环境问题日趋严重，人们在提高生活品质的同 时，也在对能源可持续发展提出了严峻的考验。
通过让学生自己阅读课本，让他们知道核聚变反应的特点 及聚变反应的条件，培养他们归纳与概括知识的能力和提出问 题的能力。
由能的转化和守恒定律知 EkU + Ekα = ΔE - 0.09 MeV= 4.266 MeV
pU = pα
Ek
1 2
m 2
p2 2m
α 粒子的动能为
——核聚变的利用
可控热核反应可以为人类提供巨 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。2009年6月 11日，位于成都的核工业西南物理研 究院宣布，该院在受控核聚变实验装 置——中国环流器二号A装置上首次实 现了偏滤器位形下高约束模式运行。
由带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径公式得
RU
mUU
qU B
，Rα
mαα
qα B
联立解得：RU qα 2 1 RU qU 92 46
（2）核反应中释放的核能为 ΔE = Δmc2 = (238.999655 - 234.99347 - 4.001509)×931.5 MeV = 4.356 MeV
（3）轻聚变更为安全、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。废物主要是泄露的氘，高速中子，质子与其他物质 反应生成的发射性物质，比裂变反应堆生成的废物数量少， 容易处理）
学习目标
1. 知道聚变的概念，知道太阳能是热核聚变释放的核能； 2. 知道聚变（热核反应）的条件和优点； 3. 知道海洋中拥有巨大的聚变资源，知道研究受控热核 反应的重大意义。
设计思路
当今世界，环境问题日趋严重，人们在提高生活品质的同 时，也在对能源可持续发展提出了严峻的考验。
通过让学生自己阅读课本，让他们知道核聚变反应的特点 及聚变反应的条件，培养他们归纳与概括知识的能力和提出问 题的能力。
由能的转化和守恒定律知 EkU + Ekα = ΔE - 0.09 MeV= 4.266 MeV
pU = pα
Ek
1 2
m 2
p2 2m
α 粒子的动能为
——核聚变的利用
可控热核反应可以为人类提供巨 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。2009年6月 11日，位于成都的核工业西南物理研 究院宣布，该院在受控核聚变实验装 置——中国环流器二号A装置上首次实 现了偏滤器位形下高约束模式运行。
由带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径公式得
RU
mUU
qU B
，Rα
mαα
qα B
联立解得：RU qα 2 1 RU qU 92 46
（2）核反应中释放的核能为 ΔE = Δmc2 = (238.999655 - 234.99347 - 4.001509)×931.5 MeV = 4.356 MeV
（3）轻聚变更为安全、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。废物主要是泄露的氘，高速中子，质子与其他物质 反应生成的发射性物质，比裂变反应堆生成的废物数量少， 容易处理）
选修35197核聚变精品PPT课件
聚变的原理是
7
要得到如此高温高压，只能由裂变反应提供。氢弹能爆炸就 是由原子弹爆炸的高温引起的，热核反应一旦发生就不再需 要外界给它能力，靠自身的反应热就足以将反应持续下去。
科学家也已研究出了其他一些方法，比如：用多束激光照在 同一个点上，就可以产生出超高温等等。利用聚变反应的另 一大问题就是，没有可以用来盛放聚变反应的物质，地球上 的物质都会在高温下熔化，科学家设想可能可以用磁场来束 缚热核反应。由于聚变反应的辐射污染，比裂变要小得多， 而且聚变反应的原料储量十分巨大，就在海洋中，所以科学 家还在不断探索当中。
2020/10/27
典例分析
5
1根据所给数据,计算下面核反应放出的能量:氘核的质
量：mD＝2.014102u ，氚核的质量：mT＝3.016050u，氦的 质量：mα＝4.002603u，中子的质量：mn=1.008665u
21H3 1H 4 2He01n
m m D m T (m m n )0.0188u84
普通手段无法达到这一苛刻要求。只有当参加聚变反应的原 子核具有足够的动能时，才能克服库伦斥力而彼此靠近从而 使核力大于库伦力，使核力产生作用。提高反应物质的温度， 就可增大原子核动能。因此，聚变反应对温度极其敏感，在 常温下其反应速度极小，只有在1400万到1亿摄氏度的绝对 温度条件下，反应速度才能达到足以实现自持聚变反应。所 以这种将物质加热至特高温所发生的聚变反应又叫作热20核20/1反0/27
磁场约束
2020/10/27
1320/10/27
课件下载后可自由编辑，如有不理解
之处可根据本节内容进行提问
Thank you for coming and listening,you can ask questions according to this section and this courseware can be downloaded and edited freely
《核能和核电原理(磁约束聚变部分)》
环向场线圈
托卡马克装置
磁体系统
极向场线圈: 垂直(磁)场 水平(磁)场 快控场线圈
托卡马克装置
磁体系统
校正场线圈 误差（杂散）场来源： 加工和安装误差 引线 不对称构件
托卡马克装置
电源系统
脉冲纵场磁体电源：
电容储能（电能） 电感储能（磁能）
飞轮机组（机械能）
电容储能
电感储能
磁约束聚变研究历史
1985年，苏美首脑建议合作建造国际热核实验堆，即ITER
1989年，德国ASDEX实现H模运转。 1990年，ITER完成概念设计 1991年，欧洲的JET装置用DT反应产生1.7MW聚变功率。 1993年，美国TFTR装置用DT反应产生6.4MW聚变功率，后来又将这一功率提高到 10.7MW。 1997年，JET又创造了DT反应产生16.1MW聚变功率的新记录。
托卡马克装置
真空系统
加料系统
加料系统，指实验装置中工作气体的馈入，在反应堆中指反应物质的馈入。 脉冲送气 最简单的送气，送气部件是压电晶体阀，响应时间为毫秒量级。但中性粒子在 等离子体边缘区就被电离约束，不能对等离子体中心区直接加料。 超声分子束 它使用了一种称为Laval的喷咀。当具有一定压力差的气体从一个小孔喷出时， 在小孔低压侧一定范围内可形成一个超声分子束，其速度可达每秒几百米。 弹丸注入 这是一种能有效进行中心区加料的技术，即向等离子体注入冷冻的氢或氘丸。 气体被冷冻为固态的圆柱体，然后截断成一定长度的弹丸，用压缩气体射入托 卡马克真空室，速度从每秒几百米到几千米。
圆线圈自感
N L 0 N 2 R0 f I
形状因子
托卡马克装置
磁体系统
在一些大的装置中， 环向场线圈往往做成D 形。这也和大装置中的 等离子体截面在垂直方 向拉长相适应。 很强的环向场（一般 大于5 Tesla）可以用超 导线圈提供。超导磁体 是稳态运转的，适于研 究托卡马克的长脉冲运 行和稳态运转。
托卡马克装置
磁体系统
极向场线圈: 垂直(磁)场 水平(磁)场 快控场线圈
托卡马克装置
磁体系统
校正场线圈 误差（杂散）场来源： 加工和安装误差 引线 不对称构件
托卡马克装置
电源系统
脉冲纵场磁体电源：
电容储能（电能） 电感储能（磁能）
飞轮机组（机械能）
电容储能
电感储能
磁约束聚变研究历史
1985年，苏美首脑建议合作建造国际热核实验堆，即ITER
1989年，德国ASDEX实现H模运转。 1990年，ITER完成概念设计 1991年，欧洲的JET装置用DT反应产生1.7MW聚变功率。 1993年，美国TFTR装置用DT反应产生6.4MW聚变功率，后来又将这一功率提高到 10.7MW。 1997年，JET又创造了DT反应产生16.1MW聚变功率的新记录。
托卡马克装置
真空系统
加料系统
加料系统，指实验装置中工作气体的馈入，在反应堆中指反应物质的馈入。 脉冲送气 最简单的送气，送气部件是压电晶体阀，响应时间为毫秒量级。但中性粒子在 等离子体边缘区就被电离约束，不能对等离子体中心区直接加料。 超声分子束 它使用了一种称为Laval的喷咀。当具有一定压力差的气体从一个小孔喷出时， 在小孔低压侧一定范围内可形成一个超声分子束，其速度可达每秒几百米。 弹丸注入 这是一种能有效进行中心区加料的技术，即向等离子体注入冷冻的氢或氘丸。 气体被冷冻为固态的圆柱体，然后截断成一定长度的弹丸，用压缩气体射入托 卡马克真空室，速度从每秒几百米到几千米。
圆线圈自感
N L 0 N 2 R0 f I
形状因子
托卡马克装置
磁体系统
在一些大的装置中， 环向场线圈往往做成D 形。这也和大装置中的 等离子体截面在垂直方 向拉长相适应。 很强的环向场（一般 大于5 Tesla）可以用超 导线圈提供。超导磁体 是稳态运转的，适于研 究托卡马克的长脉冲运 行和稳态运转。
核聚变课件
氦-4 21 H + 31 H
中子 42He + 10 n + 能量
因为原子核带正电荷，它们之间相互排 斥。要使聚变发生，两个氢核必须以极快的 速度靠近。
太阳的巨大能量就是核聚变产生的，几 市亿年来，太阳没秒辐射出的能量约为 3.8×1026J相当于一千亿吨煤燃烧所释放出的 能量，其中20亿分之一左右的能量被地球吸 收。（如下图所示）
一、核聚变
1、核聚变
两个氢核结合成质量较大的核，这样的反 应叫做聚变。核聚变能释放出大量的能量。
例如：一个氚核与一个氚核结合成一个氦 核时释放的能量是17.6Mev的能量，平均每个 和爱放出的能量在3Mev以上，比裂变反应中 平均每个核子放出的能量大3-4倍。
氫-2 核
核聚变示意图 核聚變
氫-3 核
磁约束聚变研究进展示意图
中国环流器新一号装置
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。
平 均
4He
结
合 能
Li
U 裂变能
裂变
T
聚变能
3He D 聚变
原子质量
聚变与裂变相比有很多的优点：
第一、氢核聚变产能效率高。 第二、地球上聚变燃料的储量丰富可 以用锂来代替氢以满足聚变的需要。 第三、氢核聚变更为安全、清洁。
核聚变 课件
它的几倍？
二、核聚变发生的条件
问题2.产生核聚变反应需要哪些条件？（施青辰）
三、氢弹的原理和主要结构
中国第一颗氢弹
原子弹 → 氢弹
美国约7年 前苏联约4年 我国2年零8个月
四、可控核聚变
小组讨论： 1.聚变与裂变相比有哪些优点 2.实现受控热核反应的困难和解决方案是什么? 3.说一说磁约束中粒子运动轨迹，实际应用和惯性约束的原 理。 4.中国在可控核聚变上有哪些突破？ 5.议一议研究受控热核反应的必要性。
四、可控核聚变的优势
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。
四、可控核聚变
小组讨论： 1.聚变与裂变相比有哪些优点 2.实现受控热核反应的困难和解决方案是什么? 3.说一说磁约束中粒子运动轨迹，实际应用和惯性约束的原 理。 4.中国在可控核聚变上有哪些突破？ 5.议一议研究受控热核反应的必要性。
一、核聚变特点：
已知：
2 1
H
3 1
H
4 2
He
01n
氘核的质量：mD 2.014102u
氚核的质量：mT 3.016050u
氦核的质量：m 4.002603u 中子的质量：mn 1.008665u
1u 931.5Mev 1u 1.66*1027 kg
求（1）该核反应放出多少能量
（2）平均每个核子放出多少能量 （3）铀裂变中平均每个核子释放能量约为0.85Mev，该反应是
磁约束:
B
Br
Z
FZ
v11
v2
环流器（托卡马克）
环流器结构图
英国的欧洲联合环流器
惯性约束:
四、可控核聚变
小组讨论： 1.聚变与裂变相比有哪些优点 2.实现受控热核反应的困难和解决方案是什么? 3.说一说磁约束中粒子运动轨迹，实际应用和惯性约束的原 理。 4.中国在可控核聚变上有哪些突破？ 5.议一议研究受控热核反应的必要性。
二、核聚变发生的条件
问题2.产生核聚变反应需要哪些条件？（施青辰）
三、氢弹的原理和主要结构
中国第一颗氢弹
原子弹 → 氢弹
美国约7年 前苏联约4年 我国2年零8个月
四、可控核聚变
小组讨论： 1.聚变与裂变相比有哪些优点 2.实现受控热核反应的困难和解决方案是什么? 3.说一说磁约束中粒子运动轨迹，实际应用和惯性约束的原 理。 4.中国在可控核聚变上有哪些突破？ 5.议一议研究受控热核反应的必要性。
四、可控核聚变的优势
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。
四、可控核聚变
小组讨论： 1.聚变与裂变相比有哪些优点 2.实现受控热核反应的困难和解决方案是什么? 3.说一说磁约束中粒子运动轨迹，实际应用和惯性约束的原 理。 4.中国在可控核聚变上有哪些突破？ 5.议一议研究受控热核反应的必要性。
一、核聚变特点：
已知：
2 1
H
3 1
H
4 2
He
01n
氘核的质量：mD 2.014102u
氚核的质量：mT 3.016050u
氦核的质量：m 4.002603u 中子的质量：mn 1.008665u
1u 931.5Mev 1u 1.66*1027 kg
求（1）该核反应放出多少能量
（2）平均每个核子放出多少能量 （3）铀裂变中平均每个核子释放能量约为0.85Mev，该反应是
磁约束:
B
Br
Z
FZ
v11
v2
环流器（托卡马克）
环流器结构图
英国的欧洲联合环流器
惯性约束:
四、可控核聚变
小组讨论： 1.聚变与裂变相比有哪些优点 2.实现受控热核反应的困难和解决方案是什么? 3.说一说磁约束中粒子运动轨迹，实际应用和惯性约束的原 理。 4.中国在可控核聚变上有哪些突破？ 5.议一议研究受控热核反应的必要性。
优秀课件人教版高中物理选修3-5核聚变 (共16张PPT)
（2）地球上聚变燃料的储量丰富
每升水中就含有 0.03 g 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。 1L海水中大约有0.03g氘，如果发生聚变， 放出的能量相当于燃烧300L汽油,轻核聚变是能源危机的终结 者。
（3）轻核聚变更安全、清洁
实现核聚变需要高温，一旦出现故障，高温不能维持， 反应就自动终止了。
（4）反应中放射物质的处理较容易
氘和氚聚就反应中产生的氦是没有放射性的，放射性废 物主要是泄漏的氚以及聚变时高速中子、质子与其他物质反 应而生成的放射性物质，比裂变所生成的废物的数量少，容 易处理。
2. 现在的技术还不能控制热核反应，问题有
太阳的中心发生 核聚变，放出巨大 能量，太阳；这个 天然的的核聚变过 程已经发生了好几 十亿年
二、受控热核反应——核聚变的利用
1.聚变与裂变相比的优点： （1）轻核聚变产能效率高
相同的核燃料释放的能量多。常见的聚变反应平均每个核子放出 的能量约3.3MeV，而裂变时平均每个核子释放的能量约为1MeV。
2 1 3 2 1 0
2 1
2 1
H H He H
2 1 3 2 1 1
3 1 4 2 1 0
H H He n
计算下面核聚变放出的能量:
2 1
H + H He + n
3 1 4 2 1 0
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
201 是铀裂变（ = 0.852MeV）的约4倍。 235 + 1
2、发生聚变的条件:
核聚变ppt课件
1 、 轻核的聚变 某些轻核能够结合在一起，生
成一个较大的原子核，同时放出大 量的核能。这种核反应叫做聚变。
1 2H+1 3H 2 4H e+0 1n
计算下面核聚变放出的能量:
1 2H +1 3H 2 4H e+0 1n
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
太阳的中心发生 核聚变，放出巨大 能量，太阳；这个 天然的的核聚变过 程已经发生了好几 十亿年
二、受控热核反应——核聚变的利用
1.聚变与裂变相比的优点：
（1）轻核聚变产能效率高
相同的核燃料释放的能量多。常见的聚变反 应平均每个核子放出的能量约3.3MeV，而 裂变时平均每个核子释放的能量约为1MeV。
例题1、两个中子和两个质子可以结合成一个 氦核，已知中子的质量是1.008665u，质子的 质量是1.007276u，氦核的质量是4.0026u，求 此核反应的质量亏损和结合能。 (1u=1.66×10-27千克， c=3×108m／s)
解：△m＝0.029282u
△E＝△mc2=0.029282×931MeV= 27.3MeV
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。为了解决这个难题， 科学家设想了两种方案：1.磁约束 2.惯性 约束
磁约束 带电粒子运动时在均匀磁场中会洛伦兹力
的作用而不飞散，因此有可能利用磁场来约 束参加反应的物质。
惯性约束
由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因 自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。 在惯性约束下，可以用激光从各个方向照射 参加反应的物质，使它们“挤”在一起发生 反应。Fra bibliotek19. 7 核聚变
成一个较大的原子核，同时放出大 量的核能。这种核反应叫做聚变。
1 2H+1 3H 2 4H e+0 1n
计算下面核聚变放出的能量:
1 2H +1 3H 2 4H e+0 1n
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
太阳的中心发生 核聚变，放出巨大 能量，太阳；这个 天然的的核聚变过 程已经发生了好几 十亿年
二、受控热核反应——核聚变的利用
1.聚变与裂变相比的优点：
（1）轻核聚变产能效率高
相同的核燃料释放的能量多。常见的聚变反 应平均每个核子放出的能量约3.3MeV，而 裂变时平均每个核子释放的能量约为1MeV。
例题1、两个中子和两个质子可以结合成一个 氦核，已知中子的质量是1.008665u，质子的 质量是1.007276u，氦核的质量是4.0026u，求 此核反应的质量亏损和结合能。 (1u=1.66×10-27千克， c=3×108m／s)
解：△m＝0.029282u
△E＝△mc2=0.029282×931MeV= 27.3MeV
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。为了解决这个难题， 科学家设想了两种方案：1.磁约束 2.惯性 约束
磁约束 带电粒子运动时在均匀磁场中会洛伦兹力
的作用而不飞散，因此有可能利用磁场来约 束参加反应的物质。
惯性约束
由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因 自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。 在惯性约束下，可以用激光从各个方向照射 参加反应的物质，使它们“挤”在一起发生 反应。Fra bibliotek19. 7 核聚变
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。
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碰撞到一起，发生原子核的互相聚合作用，生成新的质量更重的原 子核（如氦）的反应。核聚变是核裂变相反的核反应形式。由于核 聚变反应温度极高，目前尚无容器能够承受，因此科学家正在努力 研究可控核聚变，使核聚变成为未来的主要能量来源。
目录
核聚 变反应原理 磁 约 束 核 聚 变 原理 核聚变能源的优势 磁约束核聚变的未 来展望
Magnetic confinement fusion
磁 约束核聚 变
原 理与发展 前沿 理科生环地 林楠
人类的------人造太阳梦
热核聚变 前言
核聚变（nuclear fusion），又称核融合、融合反应或聚变反应，是指
由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高
压）让核外电子摆脱原子核的束缚，让两个原子核能够互相吸引而
克装置的核心就是磁场，要产生磁场就要用线圈，就要通电，有线圈就有导线，有导线就有电阻。
托卡马克装置越接近实用就要越强的磁场，就要给导线通过越大的电流，这个时候，导线里的电
阻就出现了，电阻使得线圈的效率降低，同时限制通过大的电流，不能产生足够的磁场。托卡马
克貌似走到了尽头。幸好，超导技术的发展使得托卡马克峰回路转，只要把线圈做成超导体，理
成环形。
后来又改进为呈8字形的圆环形磁 5 力线管。实验上现最有成效的磁
约束装置仍然是托卡马克装置。
托卡马克的前世今生
为实现磁力约束，需要一个能产生足够强的环形磁 场的装置，这种装置就被称作“托克马克装置”—— TOKAMAK，也就是俄语中是由“环形”、“真空”、 “磁”、“线圈”的字头组成的缩写。早在1954年，在原 苏联库尔恰托夫原子能研究所就建成了世界上第一个托 卡马克装置。貌似很顺利吧？其实不然，要想能够投入 实际使用，必须使得输入装置的能量远远小于输出的能 量才行，我们称作能量增益因子——Q值。当时的托卡马 克装置是个很不稳定的东西，搞了十几年，也没有得到 能量输出，直到1970年，前苏联才在改进了很多次的托卡 马克装置上第一次获得了实际的能量输出，不过要用当 时最高级设备才能测出来，Q值大约是10亿分之一。别小 看这个十亿分之一，这使得全世界看到了希望，于是全 世界都在这种激励下大干快上，纷纷建设起自己的大型 托卡马克装置
托卡马克的前世今生
欧洲建设了联合环-JET,苏联建设了T20（后来缩水成了T15，线圈小了，但是上了超导）， 日本的JT-60和美国的TFTR（托卡马克聚变实验反应器的缩写）。这些托卡马克装置一次次把能 量增益因子（Q）值的纪录刷新，1991年欧洲的联合环实现了核聚变史上第一次氘－氚运行实验， 使用6：1的氘氚混合燃料，受控核聚变反应持续了2秒钟，获得了0.17万千瓦输出功率，Q值达0.12。 1993年，美国在TFTR上使用氘、氚1：1的燃料，两次实验释放的聚变能分别为0.3万千瓦和0.56万 千瓦，Q值达到了0.28。1997年9月，联合欧洲环创1.29万千瓦的世界纪录，Q值达0.60，持续了2秒。 仅过了39天，输出功率又提高到1.61万千瓦， Q值达到0.65。三个月以后，日本的JT－60上成功进 行了氘－氘反应实验，换算到氘－氘反应，Q值可以达到1。后来，Q值又超过了1.25。这是第一次 Q值大于1，尽管氘-氘反应是不能实用的（这个后面再说），但是托卡马克理论上可以真正产生能 量了。在这个大环境下，中国也不例外，在70年代就建设了数个实验托卡马克装置——环流一号 （HL-1）和CT-6，后来又建设了HT-6,HT-6B，以及改建了HL1M，新建了环流2号。有种说法， 说中国的托卡马克装置研究是从俄罗斯赠送设备开始的，这是不对的，HT6/HL1的建设都早于俄 罗斯赠送的HT-7系统。HT-7以前，中国的几个设备都是普通的托卡马克装置，而俄罗斯赠送的 HT-7则是中国第一个“超脱卡马克”装置。什么是“超托卡马克装置”呢？回过头来说，托卡马
NO. 1 核聚 变反应原理
核聚变反应原理
主要原理
常温下，原子核之间由于斥力很难靠近，而当高温时，原
子动能极大，可能使原子核间距非常火很快就会熄灭，因此核聚 变需要核裂变提供高温，在高温中发生一定量的核聚变，从 而提供继续反应的温度。
所需燃料
托卡马克的前世今生
EAST位于中国合肥，是目前为止，超托卡马克反应体部分，唯一能给ITER提 供实验数据的装置，他的结构和应用的技术与规划中的ITER（2005年正式确定的国
际合作项目ITER，也就是国际热核实验反应堆的缩写，这个项目从1985年开始，由苏联、美国、日本 和欧共同提出，目的是建立第一个试验用的聚变反应堆。（注意：ITER已经不是托卡马克装置了，而 是试验反应堆，这是一大进步）最初方案是2010年建成一个实验堆，实现1500兆瓦功率输出，造价100 亿美元。没想到因为各国想法不同，苏联解体，加上技术手段的限制，一直到了2000年也没有结果， 其间美国中途退出，ITER出现胎死腹中的危险。直到2003年，能源危机加剧，各国又重视起来，首 先是中国宣布加入了ITER计划，欧洲、日本和俄罗斯自然很高兴，随后美国宣布重返计划。紧接着，
NO. 2 磁 约束核聚 变原理
托卡马克型磁场约束法
1 磁约束的基本原理是带电粒 子在磁场中受的洛伦兹力。
两端呈瓶颈状的磁力线，因瓶颈 2 处磁场较强能将带电粒子反射回
来 ，从而限制粒子的纵向（沿 磁力线方向）移动。
但是仍有一部分其轨道与磁力线 3 的夹角小于某值的带电粒子会逃
逸出去。
为了避免带电粒子的流失，曾经 4 把磁力线连同等离子体弯曲连接
论上就可以解决大电流和损耗的问题，于是，使用超导线圈的托卡马克装置就诞生了，这就是超 托卡马克。目前为止，世界上有4个国家有各自的大型超托卡马克装置，法国的Tore－Supra，俄 罗斯的T-15，日本的JT-60U，和中国的EAST。除了EAST以外，其他四个大概都只能叫“准超
托卡马克”，它们的水平线圈是超导的，垂直线圈则是常规的，因此还是会受到电阻的困扰。此 外他们三个的线圈截面都是圆形的，而为了增加反应体的容积，EAST则第一次尝试做成了非圆型 截面。此外，在建的还有德国的螺旋石-7，规模比EAST大，但是技术水平差不多。
氘与氚，氘在海洋中含量较为丰富，而氚则可以通过锂在中 子的轰击下获得，利用一定弄的的锂和氘理论上可以形成氘 -氚的链式反映，不过氘-氚反应极其危险，还有待改进。
可控核聚变
的手段
目前使核聚变处于可控范围的手段主要有磁约束和惯性约束 两种，磁约束主要利用磁场，惯性约束则主要依靠激光使外 层气化，向内产生较大压力，再辅以高温发生核聚变
目录
核聚 变反应原理 磁 约 束 核 聚 变 原理 核聚变能源的优势 磁约束核聚变的未 来展望
Magnetic confinement fusion
磁 约束核聚 变
原 理与发展 前沿 理科生环地 林楠
人类的------人造太阳梦
热核聚变 前言
核聚变（nuclear fusion），又称核融合、融合反应或聚变反应，是指
由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高
压）让核外电子摆脱原子核的束缚，让两个原子核能够互相吸引而
克装置的核心就是磁场，要产生磁场就要用线圈，就要通电，有线圈就有导线，有导线就有电阻。
托卡马克装置越接近实用就要越强的磁场，就要给导线通过越大的电流，这个时候，导线里的电
阻就出现了，电阻使得线圈的效率降低，同时限制通过大的电流，不能产生足够的磁场。托卡马
克貌似走到了尽头。幸好，超导技术的发展使得托卡马克峰回路转，只要把线圈做成超导体，理
成环形。
后来又改进为呈8字形的圆环形磁 5 力线管。实验上现最有成效的磁
约束装置仍然是托卡马克装置。
托卡马克的前世今生
为实现磁力约束，需要一个能产生足够强的环形磁 场的装置，这种装置就被称作“托克马克装置”—— TOKAMAK，也就是俄语中是由“环形”、“真空”、 “磁”、“线圈”的字头组成的缩写。早在1954年，在原 苏联库尔恰托夫原子能研究所就建成了世界上第一个托 卡马克装置。貌似很顺利吧？其实不然，要想能够投入 实际使用，必须使得输入装置的能量远远小于输出的能 量才行，我们称作能量增益因子——Q值。当时的托卡马 克装置是个很不稳定的东西，搞了十几年，也没有得到 能量输出，直到1970年，前苏联才在改进了很多次的托卡 马克装置上第一次获得了实际的能量输出，不过要用当 时最高级设备才能测出来，Q值大约是10亿分之一。别小 看这个十亿分之一，这使得全世界看到了希望，于是全 世界都在这种激励下大干快上，纷纷建设起自己的大型 托卡马克装置
托卡马克的前世今生
欧洲建设了联合环-JET,苏联建设了T20（后来缩水成了T15，线圈小了，但是上了超导）， 日本的JT-60和美国的TFTR（托卡马克聚变实验反应器的缩写）。这些托卡马克装置一次次把能 量增益因子（Q）值的纪录刷新，1991年欧洲的联合环实现了核聚变史上第一次氘－氚运行实验， 使用6：1的氘氚混合燃料，受控核聚变反应持续了2秒钟，获得了0.17万千瓦输出功率，Q值达0.12。 1993年，美国在TFTR上使用氘、氚1：1的燃料，两次实验释放的聚变能分别为0.3万千瓦和0.56万 千瓦，Q值达到了0.28。1997年9月，联合欧洲环创1.29万千瓦的世界纪录，Q值达0.60，持续了2秒。 仅过了39天，输出功率又提高到1.61万千瓦， Q值达到0.65。三个月以后，日本的JT－60上成功进 行了氘－氘反应实验，换算到氘－氘反应，Q值可以达到1。后来，Q值又超过了1.25。这是第一次 Q值大于1，尽管氘-氘反应是不能实用的（这个后面再说），但是托卡马克理论上可以真正产生能 量了。在这个大环境下，中国也不例外，在70年代就建设了数个实验托卡马克装置——环流一号 （HL-1）和CT-6，后来又建设了HT-6,HT-6B，以及改建了HL1M，新建了环流2号。有种说法， 说中国的托卡马克装置研究是从俄罗斯赠送设备开始的，这是不对的，HT6/HL1的建设都早于俄 罗斯赠送的HT-7系统。HT-7以前，中国的几个设备都是普通的托卡马克装置，而俄罗斯赠送的 HT-7则是中国第一个“超脱卡马克”装置。什么是“超托卡马克装置”呢？回过头来说，托卡马
NO. 1 核聚 变反应原理
核聚变反应原理
主要原理
常温下，原子核之间由于斥力很难靠近，而当高温时，原
子动能极大，可能使原子核间距非常火很快就会熄灭，因此核聚 变需要核裂变提供高温，在高温中发生一定量的核聚变，从 而提供继续反应的温度。
所需燃料
托卡马克的前世今生
EAST位于中国合肥，是目前为止，超托卡马克反应体部分，唯一能给ITER提 供实验数据的装置，他的结构和应用的技术与规划中的ITER（2005年正式确定的国
际合作项目ITER，也就是国际热核实验反应堆的缩写，这个项目从1985年开始，由苏联、美国、日本 和欧共同提出，目的是建立第一个试验用的聚变反应堆。（注意：ITER已经不是托卡马克装置了，而 是试验反应堆，这是一大进步）最初方案是2010年建成一个实验堆，实现1500兆瓦功率输出，造价100 亿美元。没想到因为各国想法不同，苏联解体，加上技术手段的限制，一直到了2000年也没有结果， 其间美国中途退出，ITER出现胎死腹中的危险。直到2003年，能源危机加剧，各国又重视起来，首 先是中国宣布加入了ITER计划，欧洲、日本和俄罗斯自然很高兴，随后美国宣布重返计划。紧接着，
NO. 2 磁 约束核聚 变原理
托卡马克型磁场约束法
1 磁约束的基本原理是带电粒 子在磁场中受的洛伦兹力。
两端呈瓶颈状的磁力线，因瓶颈 2 处磁场较强能将带电粒子反射回
来 ，从而限制粒子的纵向（沿 磁力线方向）移动。
但是仍有一部分其轨道与磁力线 3 的夹角小于某值的带电粒子会逃
逸出去。
为了避免带电粒子的流失，曾经 4 把磁力线连同等离子体弯曲连接
论上就可以解决大电流和损耗的问题，于是，使用超导线圈的托卡马克装置就诞生了，这就是超 托卡马克。目前为止，世界上有4个国家有各自的大型超托卡马克装置，法国的Tore－Supra，俄 罗斯的T-15，日本的JT-60U，和中国的EAST。除了EAST以外，其他四个大概都只能叫“准超
托卡马克”，它们的水平线圈是超导的，垂直线圈则是常规的，因此还是会受到电阻的困扰。此 外他们三个的线圈截面都是圆形的，而为了增加反应体的容积，EAST则第一次尝试做成了非圆型 截面。此外，在建的还有德国的螺旋石-7，规模比EAST大，但是技术水平差不多。
氘与氚，氘在海洋中含量较为丰富，而氚则可以通过锂在中 子的轰击下获得，利用一定弄的的锂和氘理论上可以形成氘 -氚的链式反映，不过氘-氚反应极其危险，还有待改进。
可控核聚变
的手段
目前使核聚变处于可控范围的手段主要有磁约束和惯性约束 两种，磁约束主要利用磁场，惯性约束则主要依靠激光使外 层气化，向内产生较大压力，再辅以高温发生核聚变