等离子体物理与核聚变
等离子体物理与聚变能技术发展前景评析
等离子体物理与聚变能技术发展前景评析引言：随着全球能源需求不断增长，传统能源资源日益枯竭，人们对清洁、可持续能源的需求与日俱增。
在这样的背景下，等离子体物理与聚变能技术备受关注。
等离子体物理是研究高温等离子体性质和行为的学科，而聚变能技术则是基于等离子体的能源利用方式之一。
本文将对等离子体物理与聚变能技术的发展前景进行评析。
一、等离子体物理的发展现状等离子体是一种高度激发、离化的状态，具有独特的物理性质。
等离子体物理的研究涉及等离子体的产生、诊断和控制等方面。
目前，等离子体物理已经广泛应用于磁约束聚变、惯性约束聚变、激光等离子体物理等领域。
1. 磁约束聚变磁约束聚变是目前最为成熟的等离子体物理应用之一。
通过利用磁场约束等离子体，使其达到高温、高密度的状态，在此基础上进行聚变反应，从而获得巨大的能量输出。
例如，国际热核聚变实验堆（ITER）是目前最具代表性的磁约束聚变实验设施，是人类共同努力研究聚变能的重要里程碑。
2. 惯性约束聚变惯性约束聚变利用高功率激光将球壳内的氘-氚等离子体进行等快热压缩，从而达到高温、高密度的条件，促使聚变反应发生。
惯性约束聚变技术在军事与能源领域具有重要意义，然而它的应用还存在许多困难，如激光能量转化效率低、装置成本高等。
3. 激光等离子体物理激光等离子体物理是研究激光与等离子体相互作用，获取等离子体性质和动力学特性的学科。
激光等离子体物理有广泛的应用领域，包括材料加工、医学、光子学等。
激光等离子体技术的发展将推动材料科学、医学和光子学等相关领域的进步。
二、聚变能技术的发展前景聚变能技术是利用核聚变反应释放的能量来产生电力的技术。
与传统能源相比，聚变能技术具有无污染、资源丰富等优势。
虽然聚变能技术的研究和发展迄今为止仍面临着一些挑战，但其前景仍然备受期待。
1. 理论前景聚变反应是目前已知能量密度最大的能源利用方式之一。
理论上，聚变反应是一种可持续的能源来源，其所需燃料的获取和处理相对容易。
等离子体物理与聚变研究
等离子体物理与聚变研究等离子体物理是研究等离子体性质和行为的一门学科，而聚变则是利用等离子体物理实现的一种能源技术。
这两个领域的研究相辅相成，对于人类的能源问题和未来的发展具有重要意义。
等离子体物理是研究发现并研究等离子体的基本行为规律的学科。
等离子体是由于原子或分子解离而形成的带电粒子云，是自然界中最常见的形态之一。
在比如闪电、星球大气层、太阳等天然环境中都可以找到等离子体的身影。
等离子体物理的研究内容包括等离子体的形成、行为规律、传输性质等。
通过对等离子体物理的研究，科学家能够更好地理解自然界中的现象，并将其应用于各个领域。
聚变是一种潜在的清洁能源技术，也是等离子体物理研究的一大应用领域。
聚变是指将轻元素核融合为重元素核的过程，释放出巨大的能量，是天体物理中恒星形成和维持的基本机制。
要实现人工聚变，则需要通过控制等离子体的温度和密度等参数，实现核聚变反应的控制。
通过聚变反应释放出的能量可以被用来发电，且聚变反应的燃料是氢，因此聚变能源被认为是一种绿色、可持续的能源来源。
在聚变研究中，国际热核聚变实验反应堆（ITER）是当前最大、最重要的项目之一。
ITER的目标是建造一个能够持续运行的聚变反应堆，证实聚变技术的可行性，并为以后的商业化应用做出可靠的基础。
ITER的研究成果将对聚变领域的未来发展产生深远影响。
然而，尽管聚变技术前景广阔，但也面临着许多挑战。
首先，聚变过程需要极高的温度和压力条件，难以实现和维持。
其次，聚变反应释放出的高能粒子对材料会造成较大的损害，如如何选择合适的材料来承受这种损害也是一个难题。
此外，聚变反应产生的放射性废料也需要妥善处理。
为了解决这些问题，科学家们在持续研究中不断取得进展。
例如，为了提高等离子体的温度和密度，科学家们可以使用强磁场来限制和加热等离子体。
通过研究等离子体在磁场中的行为，可以为聚变反应提供更好的控制手段。
此外，研究人员还在寻找更好的材料，以承受高能粒子的损害，并探索更先进的废料处理技术。
核聚变与等离子体物理第二章资料
不同形式的孔栏
为适应某些实验的要求，调节等离子体电位和电位 分布，有时须安装偏压孔栏或称偏压电极。它应与真 空室绝缘，并能通过大电流（低电阻），最好能调节 与等离子体的距离。
一种简单的排除杂质或聚 变反应产生的α粒子的结构称 为 抽 气 孔 栏 （ pumping limiter）。这个蘑菇形的孔栏 的边缘处于等离子体的删削 层内。一些从外界进入等离 子体的杂质在进入主等离子 体前可能被孔栏散射而进入 抽气管道而被排除。这一孔 栏应用低Z材料制成，避免溅 射造成高Z杂质污染。
托卡马克的环向场线圈和空芯变压器（EAST）
将电动势写为环电压，对时间积分得到：
Vdt t 0
0
t
它的量纲也可以写为Vs。 一个变压器最大的磁通变化也称为伏秒数，也就是 对一定环电压，等离子体可以维持的时间。对一定尺 寸、温度的等离子体，其环电压在一定范围内，所以， 为达到一定的放电时间，变压器须具备一定的伏秒数。 这是一个欧姆变压器最重要的指标。
伏秒数ΔΦ决定于变压器线圈（螺线管和外线圈）的 几何尺寸或者说其电感，以及放电电流。为了增加这 个伏秒数，一般使变压器先向反向磁化到最大电流， 再使电流反向。此时使气体击穿，产生等离子体和感 应等离体电流。这样，在最大电流为一定值条件下， 使伏秒数加倍。 在一次放电中，首先启动环向场，在它达到或接近 平顶时，启动变压器反向磁化，但不使气体击穿。反 向磁化达最大电流后，在正向磁化，使气体击穿，产 生等离子体。
托卡马克装置各部分分解图
一、环向磁体
托卡马克的磁体系统主要由环向场和极向场两部分 组成。 环向场磁体的电流在极向，产生环向磁场约束等离 子体。 极向场磁体的电流在环向，构成欧姆加热变压器以 产生和加热等离子体，并保持等离子体的平衡。 两组磁体在空间是正交关系。在有些装置上还安装 了一些产生局部磁场的磁体，可以称为多极场，
核聚变与等离子体物理 课程介绍
课程基本要求
• • • • 1. 掌握核聚变的基本概念； 2. 了解等离子体的基本性质 3. 掌握磁约束聚变的基本原理； 4. 掌握惯性约束聚变的基本原理及惯性约 束聚变驱动器； • 5. 了解惯性约束聚变反应堆的概念设计； • 6. 了解聚变研究的进展情况和发展前景。
教材及主要参考资料 教材： 王乃彦.聚变能及其未来.北京：清华大学出版社， 2001 参考资料： [1] Keishiro Niu. Nuclear Fusion. Cambridge，1989 [2] 杜世刚.等离子体物理.北京:原子能出版社，1998 [3] 胡希伟.受控核聚变.北京：科学出版社，1981
核聚变与等离子体物理
李忠宇 核科学与技术学院
课程目的
核聚变研究是当今自然科学研究的一个前沿课题， 随着人类对能源要求逐步提高，聚变研究的重要意 义也越来越突出。等离子体是核聚变中不可缺少的 组成部分，随着人们对等离子体认识的深入，它已 广泛的应用在人们的生产和生活中。通过本课程的 学习，使学生对核聚变的基本原理有初步的认识， 并了解核聚变装置，从而为今后从事核聚变研究奠 定基础。
考核方式
平时成绩ห้องสมุดไป่ตู้25 期末考试成绩：75 （开卷考试）
联系方式
E-mail：lizhongyu@ Room：31#365
等离子体聚变的物理原理及应用
等离子体聚变的物理原理及应用等离子体聚变是指将两种轻核反应融合成一种更重的核而释放出强烈能量的核反应。
这种反应在自然界中存在，如太阳的能量来源即是通过这种方式产生的。
等离子体聚变在工程应用中可以用于产生巨大的自由能，可以发挥出极高的能量密度，是人类追求高效能源的一种重要途径。
本文将介绍等离子体聚变的物理原理及其应用。
一、等离子体聚变的物理原理等离子体聚变的物理基础是靠原子核间的热能让核克服静电斥力，靠质子间相互作用使得能够合并成新的核。
其中，靠热能克服静电斥力的部分由等离子体中的热运动提供，而用于克服自由质子的库伦斥力则需用到高温中反应物的一定速率。
传统上，在等离子体聚变中，将氘核和氚核聚变成一种超重核，另外产生一颗氦核和大量的能量。
等离子体聚变所释放出的能量能够被用来加热物质、发电，甚至可以产生推动力，满足很多方面的需求。
而要实现等离子体聚变，必须让反应物之间的运动速度足够快，以克服核上的相互排斥力，这就要求等离子体必须尽可能达到高温、高密度和高压的状态。
在高温下，原子核和电子的相互作用会导致电离，使物质形态变为等离子体，产生的等离子体的密度和温度越高，反应速率越快，聚变的成功率也就越高。
为了掌握更快的反应速率，可以选择将聚变物质与强磁场相互作用使其发生“等离子体缠绕”，从而达到聚变温度的条件。
这种聚变称为磁约束聚变。
而且，还采用了惯性约束聚变的方法。
这种方法是用精确控制的激光束照射具有高密度的等离子体，使其压缩而形成高压状态，再在超短时间内完成聚变反应。
惯性约束聚变的主要优点在于较短的反应时间和较小的等离子体体积。
这两种方法是等离子体聚变的常见实现方法。
二、等离子体聚变的应用等离子体聚变的应用可以说是非常广泛的，它能够产生大量的能量，并且不会对环境造成严重的危害，具有很大的优越性。
在实际应用中，等离子体聚变的应用主要在于工业、农业、医疗等领域。
在工业领域，等离子体聚变可以被应用于材料加工，因为等离子体的高温和高密度特性可以使原子和分子的行动迅速变化，达到较好的加工效果。
核聚变与等离子体物理 第三章1
柱面高z腔壁 激光束 入口孔
聚变靶丸
聚变靶丸
高z壁 吸收 辐射体
泡沫塑料
重离子束 柱面高z腔壁
3、惯性聚变能电站中两个重要的循环 （1）功率循环
驱动效率η：电能转变成激光或粒子束的能量 增益G：激光或粒子束打在靶上发生聚变产生 热核反应 M因子：靶外物质与中子反应放出能量 热电转换效率ε：热核能量转变为热能，送到发 电机发电 Pg：总的输出功率 Pa：电站用电量，占总输出功率比例为fa（~5%） Pd：给激光和粒子束驱动器提供功率产生激光 或粒子 Pn：送出电站供应用的功率
然而，快点火设计对激光驱动器技术的发展提出 了十分苛刻的新要求。这包括: 高能量输出的 (10-100kJ)拍瓦(1015W，PW)激光 点火驱动器技术的发展； 高信噪比(106-108 )激光点火脉冲技术的实现； 百皮秒级激光打通道技术研究； 点火激光脉冲与预压缩激光脉冲的高精度时间 同步(10-20ps)技术的实现等。
Pn=净功率
驱动效率η （0.05 ～ 0.35） 聚变增益G （30 ～ 200） 中子反应M （1.05 ～ 1.25） 热电转换ε （0.30 ～ 0.40）
Pg=毛功率
Pd=驱动功率
泵浦、光、 靶工厂等
再循环功率 辅助功率=faPg
1 Pn Pg Pa Pd Pg (1 f a ) GM
三种热核燃烧点火方式
a） 激光ICF研究初期的靶物理方案设计是把劳 森判据条件与燃料等离子体高温条件在时间上捆绑 在一起考虑的，称为体点火方案。体点火只有简单 的三个步骤，高密度压缩与高温点火在惯性迟滞开 始的时刻同时实现。这种点火方式对激光驱动器能 量需求很高，每一发聚变打靶大约要消耗10MJ以 上的激光能量。
等离子体流体力学的基本概念等离子体物理学和热核聚变等研究
等离子体流体力学的基本概念等离子体物理学和热核聚变等研究等离子体是物质的第四态，是指在高温或高能量激发下，原子的电子从原子核中解离出来，形成带正电的离子和自由电子的高度电离气体。
等离子体在宇宙中广泛存在，如恒星核心、星际空间和地球的电离层等。
研究等离子体的物理性质以及其在热核聚变等领域的应用对于理解宇宙的起源和发展以及未来的能源问题具有重要意义。
本文将介绍等离子体流体力学的基本概念，并探讨等离子体物理学和热核聚变等领域的研究进展。
一、等离子体流体力学的基本概念等离子体流体力学是研究等离子体的运动和相互作用的物理学分支。
等离子体流体力学基于流体力学的基本理论，但由于等离子体具有电磁性质和粒子统计行为，因此在等离子体流体力学中引入了电磁力学和统计力学的概念和方法。
等离子体流体力学的主要目标是描述等离子体的运动、传输和相互作用，以及在等离子体中产生的诸多物理现象，如磁约束和等离子体的稳定性等。
二、等离子体物理学等离子体物理学是研究等离子体的物理性质和行为的学科。
等离子体物理学主要包括等离子体的产生与诊断、等离子体的宏观行为和动力学以及等离子体与电磁场的相互作用等内容。
等离子体物理学的研究方法主要包括实验观测和理论模拟两种。
通过实验观测，科学家可以获取等离子体的基本参数和性质，如等离子体的温度、密度、电子能谱等；而通过理论模拟，科学家可以从宏观和微观的角度解释等离子体的形成和演化过程，揭示等离子体中的物理机制和规律。
三、热核聚变热核聚变是一种核反应过程，也是太阳和恒星的能量来源。
热核聚变的基本原理是将轻元素（如氢和氘）的原子核融合成较重元素（如氦），并释放出巨大能量。
在地球上实现热核聚变需要高温和高密度的等离子体环境，因此等离子体物理学和热核聚变的研究紧密相关。
当前最有希望实现热核聚变的方法是通过磁约束聚变实验，其中等离子体被磁场约束在空间中，并通过外部能量加热以达到聚变所需的温度。
四、研究进展在等离子体流体力学和物理学的研究领域，科学家们取得了许多重要的进展。
高温等离子体在核聚变中的应用
高温等离子体在核聚变中的应用高温等离子体是一种具有高能量、高密度、高电导率的物质状态，在核聚变研究和应用中起着至关重要的作用。
核聚变是一种将轻核聚变成重核的过程，它是太阳和恒星能量来源的基本原理，也是未来可持续能源的重要方向之一。
在核聚变实验中，高温等离子体被用来实现轻核的热核聚变和释放巨大的能量，为我们带来清洁、可持续的能源解决方案。
一、高温等离子体的特性高温等离子体是一种高温、高密度、高电导率的物质状态，其中的电子与离子相分离，形成带正电荷的等离子体。
它具有以下几个重要特性：首先，高温等离子体的温度可以达到数百万度甚至更高，这种高温能够提供足够的能量用于核聚变反应；其次，高温等离子体的密度非常高，这意味着在体积单位内存在大量的粒子，增加了核反应发生的概率；最后，高温等离子体具有良好的电导率，使得它们能够受到外部电磁场的控制和加热。
二、高温等离子体的控制技术要实现高温等离子体的控制和稳定，需要借助先进的技术手段。
首先，利用强大的磁场可以使等离子体在容器中保持稳定，并防止它们与容器壁面发生碰撞；其次，高功率的微波和激光等加热技术可以提高等离子体的温度，从而促进核聚变反应；此外，还可以利用等离子体注入技术，将气体或其他物质注入高温等离子体中，以调节等离子体的密度和组成。
三、高温等离子体在核聚变中的应用1. 磁约束聚变磁约束聚变是一种利用强大的磁场将高温等离子体约束在磁场中心的聚变方式。
在磁约束聚变实验装置中，通过合适的磁场分布，可以将高温等离子体稳定地保持在中央区域，使其达到足够高的温度和密度，从而实现核聚变反应。
这种技术在国际热核聚变实验堆（ITER）等项目中得到了广泛应用和研究。
2. 惯性约束聚变惯性约束聚变是一种利用激光或其他能量源产生高能量粒子束，直接作用于靶点的聚变方式。
在惯性约束聚变实验中，高能粒子束会压缩和加热靶点，生成高温等离子体，从而实现核聚变反应。
这种技术在国际热核聚变实验装置（NIF）等项目中进行了广泛研究，其研究成果对于未来的核聚变应用具有重要意义。
- 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)。
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 热上下足了功夫。掀起了世界范围内托卡马克的研究热潮。
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 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。
人类自1973年以来，共向地球索取了5000亿桶（约合800亿吨）石油，剩下 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，一 些国家的煤炭资源已采掘殆尽。
问题？这样高的温度拿什么容器来装它们呢？
托卡马克（tokamak）
这个问题并没有难倒科学家，20世纪50年代初， 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。
我们知道，带电粒子会沿磁力线做螺旋式运动，
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，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。
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 约每600个氢原子中就有一个氘原子，海水中氘的总量约40万亿吨。1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 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。
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 中,99%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 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。
研究核聚变的基础是近亿度的高温等离子体。
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。
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 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 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。
能源----人类发展的动力
能源危机不容忽视！
世界人口发展以及能源消耗
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。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。
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。
核聚变研究的基础—等离子体
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 含有14%的氚和86%的氘混合燃料加热到了摄氏3亿度，聚变能量约束时间达2秒。 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。 1997年9月22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 当时输入功率的60%。不久输出功率又提高到16.1兆瓦。
核能----未来ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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200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、煤和天然气之后 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。 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 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。
现在在托卡马克上最高输出与输入功率比已达1.25。
JET(欧洲共同体)
JT-60（日本）
Tore Supra EUR-CEA（法国）
可控核聚变研究
俄、日、美、欧从1985年开始实施“ITER计 划”，中国从2003年开始参加，等离子体所是 中国的主要承担单位之一。ITER计划是一个 大型的国际科技合作计划，它要建设一个更大型 的全超导非圆截面托卡马克，验证聚变反应堆的 工程可行性，总工程造价46亿美元，工程建设 即将开始，预计8到10年完成。
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” 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1978年9月 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 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、国家计 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。
1升海水 = 300升汽油 1克氘氚 = 8 吨 汽油 地球表面海水含氚1018吨
可控核聚变研究
核聚变要在粒子的温度要达到1～2亿度才行，这要比太阳上的温度（中心温度 1500万度，表面也有6000度）还要高许多。
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。