等离子体物理与核聚变

托卡马克（ 托卡马克（tokamak） ）
可控核聚变研究
50年来，全世界共建造了上百个托卡马克装置，在改善磁场约束和等离子体加 年来，全世界共建造了上百个托卡马克装置， 年来 热上下足了功夫。掀起了世界范围内托卡马克的研究热潮。 热上下足了功夫。掀起了世界范围内托卡马克的研究热潮。 这其中特别是欧洲的JET已经实现了氘、氚的聚变反应。1991年11月，JET将 已经实现了氘、氚的聚变反应。 这其中特别是欧洲的 已经实现了氘 ， 将 含有14%的氚和 的氚和86%的氘混合燃料加热到了摄氏 亿度，聚变能量约束时间达 秒。 的氘混合燃料加热到了摄氏3亿 聚变能量约束时间达2秒 含有 的氚和 的氘混合燃料加热到了摄氏 反应持续1分钟，产生了1018个聚变反应中子，聚变反应输出功率约1.8兆瓦。 反应持续 分钟，产生了 个聚变反应中子，聚变反应输出功率约 兆瓦。 分钟 个聚变反应中子 兆瓦 1997年9月22日创造了核聚变输出功率 日创造了核聚变输出功率12.9兆瓦的新记录。这一输出功率已达到 的新记录。 日创造了核聚变输出功率 的新记录 当时输入功率的60%。不久输出功率又提高到 兆瓦。 当时输入功率的 。不久输出功率又提高到16.1兆瓦。 兆瓦 现在在托卡马克上最高输出与输入功率比已达1.25。 现在在托卡马克上最高输出与输入功率比已达 。
可控核聚变研究（等离子体物理研究所）
EAST或者称“实验型先进超导托卡 马克”，是一台全超导托卡马克装置。 EAST可能将成为世界上第一个可 实现稳态运行、具有全超导磁体和主动 冷却第一壁结构的托卡马克。该装置有 真正意义的全超导和非圆截面特性，更 有利于科学家探索等离子体稳态先进运 行模式，其工程建设和物理研究将为“国 际热核聚变实验堆”（ITER）的建设提供 直接经验和基础。
蓝湖绿岛
欢迎您再次参观美丽的科学岛
中国参与 ITER 国际项目
可控核聚变研究（等离子体物理研究所）
包括HT-7超导托卡马克装置本体、 大型超高真空系统、大型计算机控制和数 据采集处理系统、大型高功率脉冲电源及 其回路系统、全国规模最大的低温氦制冷 系统、兆瓦级低杂波电流驱动和射频波加 热系统以及数十种复杂的诊断测量系统。 在十几次实验中，取得若干具有国际 影响的重大科研成果。特别是在2003年3 月31日，实验取得了重大突破，获得超过 1分钟的等离子体放电，这是继法国之后第 二个能产生分钟量级高温等离子体放电的 托卡马克装置。 中国第一个超导托卡马克核聚变试验装置 HT-7
核聚变研究的基础— 核聚变研究的基础—等离子体
等离子体物质的第四态，也是存在最广泛的一种物态 目前观测到的宇宙物质 等离子体物质的第四态，也是存在最广泛的一种物态,目前观测到的宇宙物质 都是等离子体。 中,99%都是等离子体。 都是等离子体 荧光灯 霓虹灯灯管中的电离气体 核聚变实验中的高温电离气体 电焊时产生 火焰(上部 宇宙中的恒星（太阳） 上部) 的高温电弧 火焰 上部 宇宙中的恒星（太阳） 地球南北极的极光 等都是常见的 等离子体物质。 等离子体物质。 研究核聚变的基础是近亿度的高温等离子体。 研究核聚变的基础是近亿度的高温等离子体。
核能----未来能源的选择 核能----未来能源的选择
矿物能源不仅造成各种污染和“温室效应” 而且大约在 矿物能源不仅造成各种污染和“温室效应”，而且大约在200年之内，石油、 年之内，石油、 煤和天然气资源都有枯竭之虞。从长远来看，核能将是继石油、 煤和天然气资源都有枯竭之虞。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”走向“核能文明” 的主要能源，人类将从“石油文明”走向“核能文明”。 世界上的每一种物质都处于不稳定状态，有时会分裂或合成，变成另外的物质。 世界上的每一种物质都处于不稳定状态，有时会分裂或合成，变成另外的物质。 物质无论是分裂或合成，都会产生能量。由两个氢原子合为一个氦原子， 物质无论是分裂或合成，都会产生能量。由两个氢原子合为一个氦原子，就叫核聚 太阳就是依此而释放出巨大的能量。大家熟悉的原子弹则是用裂变原理造成的， 变，太阳就是依此而释放出巨大的能量。大家熟悉的原子弹则是用裂变原理造成的， 目前的核电站也是利用核裂变而发电。 目前的核电站也是利用核裂变而发电。
可控核聚变研究
由于直接利用太阳能比较困难和低效，人类设想造一个人造太阳， 由于直接利用太阳能比较困难和低效，人类设想造一个人造太阳，在地球上 进行可控核聚变。也就是把太阳这个大反应堆缩小后搬到地球上。 进行可控核聚变。也就是把太阳这个大反应堆缩小后搬到地球上。 核聚变反应利用了氘和氚聚变反应，而氘在海水中大量存在。 海水中大 氘在海水中大量存在。 核聚变反应利用了氘和氚聚变反应 氘在海水中大量存在 约每600个氢原子中就有一个氘原子， 海水中氘的总量约 万亿 吨 。 1升海 个氢原子中就有一个氘原子， 万亿吨 约每 个氢原子中就有一个氘原子 海水中氘的总量约40万亿 升海 水中所含的氘完全聚变所释放的聚变能相当于300升汽油燃料的能量 。按目 水中所含的氘完全聚变所释放的聚变能相当于 升 汽油燃料的能量。 前世界消耗的能量计算，海水中氘的聚变能可用几百亿年。因此， 前世界消耗的能量计算，海水中氘的聚变能可用几百亿年。因此，核聚变能 是一种取之不尽用之不竭的新能源。 是一种取之不尽用之不竭的新能源。
1升海水 = 300升汽油 升海水 升汽油 1克氘氚 = 8 吨 汽油 克氘氚 地球表面海水含氚1018吨 地球表面海水含氚 吨
可控核聚变研究
核聚变要在粒子的温度要达到1～ 亿度才行 这要比太阳上的温度（ 亿度才行， 核聚变要在粒子的温度要达到 ～2亿度才行，这要比太阳上的温度（中心温度 1500万度，表面也有 万度， 万度 表面也有6000度）还要高许多。 度 还要高许多。 地球上原子弹爆炸时可以达到这个温度。 地球上原子弹爆炸时可以达到这个温度。用核聚变原理造出来的氢弹就是靠先 爆发一颗核裂变原子弹而产生的高热，来触发核聚变起燃器，使氢弹得以爆炸。 爆发一颗核裂变原子弹而产生的高热，来触发核聚变起燃器，使氢弹得以爆炸。 问题？这样高的温度拿什么容器来装它们呢？ 问题？这样高的温度拿什么容器来装它们呢？ 这个问题并没有难倒科学家， 世纪 年代初， 世纪50年代初 这个问题并没有难倒科学家，20世纪 年代初， 托卡马克（ 苏联科学家阿奇莫维奇提出了托卡马克 苏联科学家阿奇莫维奇提出了托卡马克（tokamak） ） 这个概念。托卡马克是“磁线圈圆环室”的俄文缩写。 这个概念。托卡马克是“磁线圈圆环室”的俄文缩写。 这是一个由封闭磁场组成的“容器” 这是一个由封闭磁场组成的“容器”，可用来约束电 离了的等离子体。 离了的等离子体。 我们知道，带电粒子会沿磁力线做螺旋式运动， 我们知道，带电粒子会沿磁力线做螺旋式运动， 所以等离子体就这样被约束在这种环形的磁场中。 所以等离子体就这样被约束在这种环形的磁场中。这 种环形的磁场又叫磁瓶或磁笼，看不见，摸不着，也 种环形的磁场又叫磁瓶或磁笼，看不见，摸不着， 不接触有形的物体，因而也就不怕什么高温了， 不接触有形的物体，因而也就不怕什么高温了，它可 以把炙热的等离子体托举在空中。 以把炙热的等离子体托举在空中。
能源----人类发展的动力 能源----人类发展的动力
能源危机不容忽视！ 能源危机不容忽视！

世界人口发展以及能源消耗
到2100年，世界人口将达到百亿。人口的增长，随之而来得是人类对能源的 年 世界人口将达到百亿。人口的增长， 需求，而今天人类能源的主要来源都是地球上的“化石能源” 包括石油， 需求，而今天人类能源的主要来源都是地球上的“化石能源”，包括石油，煤，天然 气等。 气等。 人类自1973年以来，共向地球索取了 年以来， 约合800亿吨）石油，剩下 石油， 人类自 年以来 共向地球索取了5000亿桶（约合 亿 亿 的石油按现有生产水平匡算，还可保证开采44年 天然气也只能持续开采56年 的石油按现有生产水平匡算，还可保证开采 年。天然气也只能持续开采 年，一 些国家的煤炭资源已采掘殆尽。 些国家的煤炭资源已采掘殆尽。
等离子体与核聚变
中国科学院等离子体物理研究所
中国科学院等离子体物理研究所科研简介
遵照敬爱的周恩来总理关于受控热核反应研究应当“两条腿走路，百家争鸣” 遵照敬爱的周恩来总理关于受控热核反应研究应当“两条腿走路，百家争鸣” 的指示，中国科学院于1973年2月建立了“合肥受控热核实验站”并于 月建立了“ 的指示，中国科学院于 年 月建立了 合肥受控热核实验站”并于1978年9月 年 月 成立了等离子体物理研究所， 成立了等离子体物理研究所，成为中国科学院唯一从事核聚变研究的大科学工程性研 究所。在历届所领导班子的带领下，经过多年的努力，形成了以等离子体物理和核聚 究所。在历届所领导班子的带领下，经过多年的努力， 变工程技术研究为主要研究方向及离子束生物工程、强磁场科学和技术-应用等离子体 变工程技术研究为主要研究方向及离子束生物工程、强磁场科学和技术 应用等离子体 研究多学科发展的格局。承担着国家大科学工程建设、国家“八六三”计划、 研究多学科发展的格局。承担着国家大科学工程建设、国家“八六三”计划、国家计 国家基金委的多项重大科研项目，成为我国主要的核聚变研究基地。 委、国家基金委的多项重大科研项目，成为我国主要的核聚变研究基地。 1994年12月在合肥中科院等离子体物理研究所胜利建成的中国第一个超导托卡 在合肥中科院等离子体物理研究所胜利建成的中国第一个超导托卡 马克装置HT-7，是中国聚变研究走向世界的重要里程碑。HT-7的建成在国际上产生 马克装置 ，是中国聚变研究走向世界的重要里程碑。 的建成在国际上产生 了积极和深远的影响，使中国成为继俄、 日之后， 了积极和深远的影响，使中国成为继俄、法、日之后，世界上第四个拥有超导托卡马 克的国家。 克的国家。
原子弹
氢弹
什么是核聚变？
核聚变由较轻的原子核聚合成较重的较重的原子核而释出能量。 核聚变由较轻的原子核聚合成较重的较重的原子核而释出能量。最常见 的是由氢的同位素氘和氚聚合成较重的原子核如氦而释出能量。 的是由氢的同位素氘和氚聚合成较重的原子核如氦而释出能量。 地球上风能，水能，以及生物生长的能量等等几乎都来自于太阳， 地球上风能，水能，以及生物生长的能量等等几乎都来自于太阳，而太 阳表面所发生的就是核聚变反应。太阳本身就是一个超大的核聚变反应堆。 阳表面所发生的就是核聚变反应。太阳本身就是一个超大的核聚变反应堆。