聚变堆
磁约束核聚变堆的工作原理
磁约束核聚变堆的工作原理
磁约束核聚变堆是一种利用磁场约束高温等离子体来进行核聚变反应的装置。
其工作原理可以简单地分为以下几个步骤：
1. 加热和离子化：首先，通过外部放热装置（如激光、离子束或微波）对工作室（磁约束装置的中心空位）中的气体加热，使气体成为等离子体。
等离子体由离子和电子组成，具有高度的热运动能量。
2. 磁约束：在工作室中施加一个强磁场，使得等离子体被限制在一个磁场中运动。
这个磁场通常采用环形状，即托卡马克或托卡马克型装置，以产生恒定的轴向磁场。
这种磁场使得等离子体在工作室中环绕，从而形成一个环状的等离子体。
3. 平衡热压力与磁压力：在等离子体内部，高温和高压力导致的热扩散趋势会使等离子体离开约束磁场。
然而，由于磁场的作用，磁场产生的磁压力可以平衡热压力，从而阻止等离子体扩散。
4. 反应产生：在等离子体中，核聚变反应发生。
在高温和高压力下，氢等离子体中的氢核融合成氦气，释放出巨大的能量。
同时，部分能量也会被输入到等离子体中的自持等离子体热上下导线上。
5. 能量回收：通过引入恒定的燃料流和自持热上下导线，可以从等离子体中回收产生的能量。
这种回收的能量可以用于供应外部放热装置、磁源、援引系统和
其他设备的电力需求，从而实现自给自足的能源系统。
总的来说，磁约束核聚变堆通过磁场约束和高温等离子体中的核聚变反应来产生能量。
这种原理类似于太阳内部的核聚变反应，但阳离子是通过极高的温度和磁场来约束的，使得反应在可控条件下进行。
核聚变反应堆设计与优化方案
核聚变反应堆设计与优化方案随着能源需求的增长和环境问题的日益严重，人类对于理想的能源形式一直有着追求。
核聚变作为一种高效、清洁的能源形式，被广泛认为是未来能源的解决方案之一。
然而，核聚变技术的实施仍然面临诸多挑战，其中一个关键问题是设计和优化核聚变反应堆。
本文将从核聚变反应堆的设计原理、现有设计方案以及优化策略等方面进行探讨。
核聚变反应堆的设计旨在实现核聚变反应的控制和稳定。
核聚变是一种以轻核反应为基础的能量释放过程，其核心机理是两个轻核聚变成一个重核并释放出大量能量。
为了实现核聚变反应，需要提供足够的燃料、适当的温度和压力条件，并采用合理的反应堆结构。
目前，最常见的核聚变反应堆设计是基于磁约束的热聚变堆和惯性约束的惯性聚变堆。
磁约束核聚变反应堆利用磁场将高温等离子体约束在容器内部，使之保持稳定。
常见的设计方案是托卡马克（tokamak）和磁康卢（stellarator）反应堆。
托卡马克反应堆将等离子体置于环形状的磁场中，通过磁力线的环状运动来实现约束。
磁康卢反应堆则采用复杂的三维磁场结构，更适用于长时间稳定运行。
在设计磁约束反应堆时，需要考虑磁场强度和形状、反应堆壁的材料和冷却方式等因素。
惯性约束核聚变反应堆则利用激光、离子束等方式将压缩的燃料靶点迅速加热到高温，使之聚变。
常见的设计方案是惯性约束聚变反应堆（ICF）和镭射驱动聚变堆（LIFE）。
ICF反应堆利用高功率激光将聚变材料压缩成高密度，然后加热至高温并实现核聚变。
LIFE反应堆则通过将聚变材料注入小球中，然后用激光束直接驱动球形中的聚变反应。
设计惯性约束反应堆需要考虑激光束和粒子束的精确控制以及燃料注入和冷却等技术问题。
为了进一步提高核聚变反应堆的效率和可靠性，对其进行优化是必不可少的。
首先，反应堆的材料选择和冷却方式对于提高能量密度和抵抗辐射损伤至关重要。
目前，钢材、陶瓷和复合材料都是常见的反应堆材料选择，而传统冷却方式包括水冷却、氦气冷却和液态金属冷却等。
核聚变反应堆的简介
核聚变反应堆的简介
核聚变反应堆（Nuclear Fusion Reactor）是指利用聚变反应来产生能量的一种装置，聚变反应是指将轻原子核（如氢）合并成较重的原子核（如氦）的过程。
相比于目前广泛应用的核裂变反应堆，核聚变反应堆具有更优秀的安全性、环保性以及能源效率等优势，被誉为“清洁能源”之一。
下面我们来分点介绍核聚变反应堆的一些特点：
1. 原理：核聚变反应是基于热核反应产生能量，将轻原子核聚变成重原子核的过程中会释放大量能量，这种过程需要高温和高密度的物质才能引发。
2. 现状：目前，全球正在研究两种核聚变反应堆，一种是追求实现聚变能源商业化运营的大型聚变装置（如ITER），另一种是研究用于核武器的小型聚变堆。
3. 优势：相比于核裂变反应堆，核聚变反应堆不会生成长寿命的高活性废物，减少了对环境的影响，也不需要在高压下储存放射性废物。
同时，核聚变反应堆几乎不会爆炸，而且在运行时只需较少的燃料供给即可持续发电，不仅能减少对碳排放量造成的影响，还能够更好的应对环境问题。
4. 挑战：迄今为止，核聚变反应堆仍然存在一些挑战，如高温下材料破损、放射性释放以及燃料扩散等问题。
同时，建造和维护核聚变反应堆的投资和技术难度也很高，需要较长时间的实验和研究，以确保其运行的安全和可靠。
5. 前景：尽管在核聚变反应堆的研究和实验过程中遇到了很多困难，但核聚变反应堆作为一种清洁、安全的能源来源，其前景仍然广阔。
未来，随着更多国家的加入和技术的进步，相信核聚变反应堆将能够成功商业化运营，为人类提供更加可持续和低碳的能源供应。
核聚变反应堆的关键材料都有哪些特点
核聚变反应堆的关键材料都有哪些特点在追求清洁能源的道路上，核聚变一直被视为人类未来能源的希望之光。
而要实现可控核聚变，关键材料的选择和性能至关重要。
这些关键材料具有一系列独特的特点，下面我们就来详细了解一下。
首先，让我们谈谈用于核聚变反应的燃料。
核聚变反应通常使用氢的同位素，如氘和氚。
氘在自然界中的含量相对丰富，可以从海水中提取，这是其一大优势。
氚则相对较为稀少，但可以通过在反应堆中利用锂与中子的反应来产生。
这两种燃料的特点在于它们能够在极高的温度和压力条件下发生核聚变，释放出巨大的能量。
而且，与传统的化石燃料相比，核聚变燃料的储量几乎是无限的，为人类提供了几乎取之不尽的能源供应。
说到核聚变反应堆，就不能不提到第一壁材料。
第一壁材料直接面对高温等离子体，承受着巨大的热负荷和粒子辐照。
常见的第一壁材料包括钨、钼等金属。
钨具有极高的熔点，能够在高温环境下保持稳定的结构和性能。
它的强度高，能够承受等离子体的冲击和侵蚀。
钼也具有良好的高温性能和机械强度。
除了第一壁材料，包层材料也是核聚变反应堆中的关键部分。
包层材料的主要作用是吸收中子产生热能，并实现氚的增殖。
目前，常用的包层材料有锂陶瓷和钒合金等。
锂陶瓷具有良好的中子吸收性能和热稳定性，能够有效地将中子的能量转化为热能，并增殖氚。
钒合金则具有较高的强度和韧性，能够在复杂的环境中保持结构完整性。
在核聚变反应堆中，还有一种重要的材料——超导材料。
超导材料能够在低温下实现零电阻，大大降低了能量损耗，提高了磁场的强度和稳定性。
常用的超导材料如铌钛合金和铌锡化合物等。
这些超导材料需要在极低的温度下工作，通常需要液氦或液氮来进行冷却。
它们的特点是能够承载极高的电流密度，从而产生强大的磁场，用于约束和控制核聚变反应中的等离子体。
另外，结构材料也是不可或缺的。
结构材料需要在高温、高压、强辐照等极端条件下保持良好的力学性能和稳定性。
例如，低活化钢具有较低的放射性活化特性，在长期使用后产生的放射性废物较少。
核聚变反应堆设计综述
核聚变反应堆设计综述核聚变是一种潜在的清洁能源解决方案，可以为人类提供持续且高效的能源。
为了实现可控核聚变反应，科学家们设计了各种不同类型的核聚变反应堆。
本文将综述几种主要的核聚变反应堆设计，包括等离子体聚变堆、磁约束聚变堆、惯性约束聚变堆和燃料循环聚变堆。
等离子体聚变堆是最常见的核聚变反应堆类型之一。
它使用加热的等离子体作为燃料，并通过磁场来控制和稳定等离子体。
其中最著名的等离子体聚变堆是托卡马克（tokamak）反应堆，它使用环形磁场来约束和保持等离子体。
托卡马克反应堆在国际热核聚变实验堆（ITER）项目中得到了广泛应用，并且取得了一定的程度上的成功。
但是，托卡马克反应堆面临着高能耗、高温度要求以及等离子体不稳定等诸多挑战。
磁约束聚变堆是另一种常见的核聚变反应堆设计。
与等离子体聚变堆不同，磁约束聚变堆不使用磁场来约束等离子体，而是使用磁体和电磁线圈来约束燃料粒子的运动。
其中，磁约束聚变堆中最重要的设计是磁约束聚变式燃烧器（MCFC），它使用强大的磁场将燃料粒子束束在一起，并使它们产生核聚变反应。
磁约束聚变式燃烧器的优点是结构简化，能够达到较高的温度和密度。
然而，磁约束聚变式燃烧器的设计和实施难度仍然非常高，目前还没有实现商业化的运营。
惯性约束聚变堆是一种信贷方式完全不同的核聚变反应堆设计。
它利用强激波和外部能量输入来使燃料物质启动聚变反应。
惯性约束聚变堆中最典型的设计是惯性约束聚变燃烧系统（ICF），它通过激光或粒子束的辐照来产生高温和高压，并使燃料物质达到引爆条件。
惯性约束聚变燃烧系统的优点是反应快速，但是需要高功率的激光或粒子束和复杂的能量输入系统。
最后，燃料循环聚变堆是一种基于燃料循环技术的核聚变反应堆设计。
它利用先进的燃料循环系统来提供有效的燃料供应和废料处理。
燃料循环聚变堆可以更好地利用和循环利用反应堆中的燃料，并减少废料产生。
然而，燃料循环聚变堆的实施需要解决材料耐久性和放射性废料处理等技术问题。
聚变堆材料体系及特点
~300
1000
SiCf/SiC复合材料典型目标值
结构材料发展综合评价
e.g.2-Phase Li+W Alloy
风 险 性 、 吸 引 力
RAFM钢 V合金 SiCf/SiC
成 熟 度 、 可 行 性
Measure of Attractiveness
Self-cooled Pb-17Li He-cooled CB Self-cooled Li Self-Cooled LM+Insert He-Cooled Water- CB Cooled CB or LM
• 缺点
– 抗氧化性能差 – 规模生产经验少，目前基本处于实验室水平
• V-4Cr-4Ti是V合金中的首选
– 发展V合金的国家有：日本、苏联、美国、中国等
SiCf/SiC复合材料
• 优点
– 高强度 – 低活化水平 – 耐高温（1000℃）热效率高
Thermal conductivity (W/mK) Therm. expans. coeff.(10-6K-1) Electrical conductivity (1/m) Porosity Young’s modulus (GPa) ~20 ~4 ~500 ~5% ~300
– 在中子辐照下性能一般会下降，如辐照引起的材料硬化，从而使延 展性下降导致韧脆转变温度(DBTT)升高，缩小了材料的安全使用 温度范围。 – 在D/T聚变堆中D及T在材料中的氚滞留和循环使用问题是很重要 的，这影响到堆的正常运行。
•
安全和废料的处置
– – 在反应堆停止运行后的材料的处理，这就要求在选择材料时不能用 活化特性金属（嬗变元素放射性寿命较长）。 材料的有些杂质控制非常的严格一般在ppm量级，这对材料的制 造及加工是一个很大的挑战。
核反应堆知识点
核反应堆知识点核反应堆是用来产生核能的设备，它通过核裂变或核聚变反应释放大量能量。
核反应堆广泛应用于能源生产、医疗、工业和科研等领域。
本文将介绍核反应堆的基本原理、构造、种类以及其在不同领域的应用。
一、核反应堆的基本原理核反应堆利用核裂变或核聚变反应过程中释放的能量来产生热能或电能。
核裂变是指重核（如铀、钚等）在吸收中子后分裂成两个或更多的轻核的过程，这种过程会释放大量的能量。
而核聚变是指轻核（如氢）在高温、高压条件下融合形成较重的核，释放出更大的能量。
核反应堆的基本原理是通过控制中子的释放和吸收来控制核裂变或核聚变过程。
当中子被引入反应堆中，它们会与核燃料发生作用，进而引发核反应。
核反应堆中的反应物质通常是铀或钚等可裂变材料，也可以是氢等可聚变材料。
二、核反应堆的构造核反应堆由反应堆堆芯、冷却剂、控制棒、反应堆容器等部分组成。
1. 反应堆堆芯：反应堆堆芯是核反应堆中最重要的部分，它包含核燃料和中子俘获材料。
核燃料是指发生裂变或聚变反应的物质，通常是铀、钚等放射性物质。
中子俘获材料用于控制中子流，常见的材料包括硼、银等。
2. 冷却剂：冷却剂是用来带走反应堆产生的热能，同时也起到控制温度的作用。
常见的冷却剂包括水、氦气等。
不同类型的反应堆使用不同的冷却剂。
3. 控制棒：控制棒用来控制核反应堆中的中子流量，调节核反应堆的反应速率。
通过插入或抽出控制棒，可以增加或减少中子的释放和吸收。
4. 反应堆容器：反应堆容器是包围核反应堆堆芯的壳体，用来防止辐射泄漏。
反应堆容器通常由厚重的混凝土或钢铁构成，具有很强的防护能力。
三、核反应堆的种类核反应堆按照不同的原理和用途可以分为热中子堆、快中子堆和聚变堆三种主要类型。
1. 热中子堆：热中子堆以热中子作为反应物质，主要用于能源生产。
其反应过程通过控制中子的发射和吸收来调节反应堆的能量输出。
2. 快中子堆：快中子堆以快中子作为反应物质，主要用于产生放射性同位素、进行核辐射疗法和研究物质结构等。
聚变堆(内部精品资料)
（2）劳逊（Lawson)判据（现实）
聚变反应所产生的能量回收＝维持热核工况
所须能量。（考虑损失）。
当T＝10 keV 时， T • • ＝1.24×1021 (keV m-3.s)
D-D反应： 当T＝50 keV， T • • ＝2.5×1023(keV m-3.s)
（3）点火条件（运行）
真空室对等离子体提供高真空边界，并防止放射性逸出。 室内所有设备有水冷系统冷却 真空室设置有包层和偏滤器及port plugs等设备的支撑结构
Plasma
维持聚变条件： D-T 等离子体有足够的高温克服原子核间的排斥力（亿度） 保持高密度，并约束足够长时间来克服能量损失 ITER 条件：T • •=3x1021 m-3.keV.s.
60年代末各国开始Tokamak研究热潮，建成九个装置。美（4）， 俄,法,日,英,德(1×5）。3kev温度，10 毫秒约束。发现磁场振 荡现象。
70年代第二代Tokamak装置建成。美,俄,日,德(1×4）。7 kev温 度，50 毫秒约束。聚变堆概念开始设计。
80年代从研究聚变功率可获得条件移向经济上有利的聚变堆优化 问题。Tokamak TFTR (美国普林斯顿）,JET（日本京都）,3.7MA 等离子体电流，持续几秒。 2×1020m-3.s.keV三重乘积。离点火只 差20倍。
第八章 ：聚变反应堆
一、聚变反应原理 二、聚变资源及特点 三、受控热核反应 四、聚变研究历史 五、聚变装置 六、ITER Project
一、聚变反应原理
1、聚变原理 具有中等数量核子数的原
子核，其每个核子的平均质 量较小。当轻核聚变时所产 生的中间核的核子平均质量 变小，其质量亏损转变为动 能。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
核聚变点火的基本概念
核聚变三重积，或者叫：D-T反应下的核聚变三重积。
也就是使用D-T反应，核聚变的基本条件。
大约是0.6×10^21。
举个例子：三个条件：温度10KeV，等离子密度10^20，那么能量约束时间就要0.6秒。
三重积是三个指标，理论上如果你温度提高10倍，或者等离子密度提高10倍，那么你的时间就可以减少到60毫秒，这样你可以点火。
但这60毫秒是没用的，因为这仅仅是点火门槛，反应后的能量输出一下子就让你的反应停止了，所以实用的三重积应当在3×10^21才会够用。
能量约束时间是指在等离子体总能量不变的情况下，电磁容器约束它的时间。
也就是等离子体总温度和密度的乘积不下降的前提下的约束时间。
而EAST所提到的长脉冲放电约束时间，则不考虑等离子体温度下降带来的失能。
这样的话核聚变三重积就无法达到，也就无法点火。
前面那位和物理博士所讲，要想提高三重积，达到点火条件，把托卡马克个子做大是必需的，于是你看看JET和JT-60的个头就一个赛一个的大。
毛子不解体，貌似还规划了5米半径的东东。
但是，等离子体大了，三重积上去了，同时用于约束磁流体的电能消耗几何级数增加，毕竟欧姆定律不可以违反。
要想为人类所用，必须有一个好看的能量输入输出比，于是就有了Q 值的概念。
Q大于1才表示有正能量输出，Q值到了10以上才证明可能实用（你发电还有转换效率不是）？
怎么解决这个问题，那就超导把，先解决欧姆定律再说，这就是超托卡马克，也就是所谓的全超导托卡马克诞生的原因。
托卡马克身上线圈有两种，一种是垂直于等离子体的，一种是水平的。
早期在一些小型的托卡马克上，把某些线圈改成超导做实验。
之后觉得差不多了，我们再建设一个从设计之初就考虑把垂直和水平线圈做成超导的装置。
这就是所谓全超导托卡马克。
上面有网友贴出了环流2A的照片，常规托卡马克基本上张这个德行，而超托卡马克，比如EAST，都长得像个保温杯，这就是容纳超导线圈的巨型杜瓦瓶。
有了超导就解决问题了么？错，还差得远，超导的发现虽然比核聚变早个十几年，但是人类玩实用超导的时间远远短于玩可控核聚变。
如果说玩核聚变玩出了等离子物理专业领域的话，玩超导则到了另一个极端，玩出了凝聚态物理。
所以用超导线圈产生一个有效的约束磁场，并且让它持续工作，绝非一件很容易的话事情。
这就是我为啥说EAST的全超导的历史意义。