新型能源材料

1、姓名：楊仁和 一：核聚變的研究背景 二：核能核聚變和核裂變 三：可控核聚變 四：托卡馬克（Tomaka）裝置 五： Tokama面臨的問(wèn)題 六：EAST未來(lái)的發(fā)展方向 不可再生能源：人類的煤炭，石油等這些化石能源的儲(chǔ)藏量大概可供人類再使用200年左右。 可再生能源：風(fēng)能，太陽(yáng)能等具有一定的限制。 所以說(shuō)人類最終的能源一定核聚變。太陽(yáng)就是一個(gè)巨大的聚變體，幾十億年為人類提供了光和熱，所以說(shuō)我們要解決能源問(wèn)題就必須實(shí)現(xiàn)“可控核聚變”。 為實(shí)現(xiàn)“可控核聚變”科學(xué)家想了很多辦法，希望在地球上能夠?qū)崿F(xiàn)“人造太陽(yáng)”這一夢(mèng)想?！叭嗽焯?yáng)”的夢(mèng)想一旦實(shí)現(xiàn)，將會(huì)為人類帶來(lái)100億年以上的清潔能源。 隨著工業(yè)社會(huì)

2、的不斷發(fā)展,能源的短缺問(wèn)題越來(lái)越影響人類的生存與發(fā)展。由于目前發(fā)現(xiàn)的可持續(xù)能源形式有風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能、生物能等清潔能源,這些都源于太陽(yáng)聚變反應(yīng)所發(fā)出的能量。各種新型能源受地域、輸出功率、儲(chǔ)量等限制,只能作為補(bǔ)充方案,難以進(jìn)行大規(guī)模的開(kāi)發(fā)利用。所以研究核能意義重大。 （1）核裂變核聚變的概念 核裂變反應(yīng)：一個(gè)重核裂變成兩個(gè)或多個(gè)中等核數(shù)的核子，同時(shí)釋放出巨大的能量。 核聚變反應(yīng)：兩個(gè)輕核數(shù)的核子結(jié)合成一個(gè)中等核數(shù)的核子，同時(shí)能釋放出巨大的能量。 熱核聚變能是輕核聚變所釋放的能量。地球上最容易實(shí)現(xiàn)的聚變反應(yīng)是氘氚反應(yīng)： D( 氘) +T( 氚) ( 氦- 4) +n( 中子) +17.6MeV

3、能量 其中， 中子攜帶14.1MeV 能量。 在1 噸海水中氘約含40 克、鋰約0.15 克，中子照射鋰-6 可造氚。 1）原料來(lái)源廣泛： 浩瀚的大海可為人類提供聚變能源至少幾十億年。其原料氘可從海水中提取，且含量豐富，氚可采用中子轟擊鋰得到,而鋰也可從海水中大量提取。 2）輕核反應(yīng)無(wú)放射性： 同時(shí)氘氚反應(yīng)過(guò)程不產(chǎn)生放射性，即使14.1MeV 中子輻照到物質(zhì)上所產(chǎn)生的放射性也是短壽命。 聚變反應(yīng)的產(chǎn)物為氦，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染，可以自 然排放。 4）聚變釋放能量高： 相同質(zhì)量的原料，聚變反應(yīng)釋放的能量是鈾235裂變釋能的4倍。 5）成本低： 1公斤濃縮鈾的成本約為1.2萬(wàn)美元，而1公斤氘僅需300美

4、元。 3）對(duì)環(huán)境無(wú)污染： 萬(wàn)一發(fā)生事故，反應(yīng)堆會(huì)自動(dòng)冷卻而停止反應(yīng)，不會(huì)產(chǎn)生放射性污染物， 不會(huì)發(fā)生爆炸事故。 7）人工可控聚變： 6）安全可靠： 因此,可控聚變能的利用被認(rèn)為是最終解決人類能源問(wèn)題的有效手段之一。 目前進(jìn)行的受控核聚變研究主要有兩種途徑： （1）慣性約束核聚變 （2）磁約束可控控核聚變 而托卡馬克裝置被認(rèn)為最有可能實(shí)現(xiàn)受控磁約束核聚變的方式之一。（1）慣性約束聚變 慣性約束聚變(inertial confinement fusion)：是利用粒子的慣性作用來(lái)約束粒子本身，從而實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)的一種方法。 其基本思想是：利用驅(qū)動(dòng)器提供的能量使靶丸中的核聚變?nèi)剂?氘、氚)形成等離子

5、體，在這些等離子體粒子由于自身慣性作用還來(lái)不及向四周飛散的極短時(shí)間內(nèi)，通過(guò)向心爆聚被壓縮到高溫、高密度狀態(tài)，從而發(fā)生核聚變反應(yīng)。由于這種核聚變是依靠等離子體粒子自身的慣性約束作用而實(shí)現(xiàn)的，因而稱為慣性約束聚變。 慣性約束聚變 用特殊形態(tài)的磁場(chǎng)把氘、氚等輕原子核和自由電子組成的、處于熱核反應(yīng)狀態(tài)的超高溫等離子體約束在有限的體積內(nèi)，使它受控制地發(fā)生大量的原子核聚變反應(yīng)，釋放出能量。 等離子體受磁約束 等離子體是不同于固體、液體和氣體的物質(zhì)第四態(tài)。物質(zhì)由分子構(gòu)成，分子由原子構(gòu)成，原子由帶正電的原子核和圍繞它的、帶負(fù)電的電子構(gòu)成。當(dāng)被加熱到足夠高的溫度，外層電子擺脫原子核的束縛成為自由電子，電子離開(kāi)原

6、子核，這個(gè)過(guò)程就叫做“電離”。這時(shí)，物質(zhì)就變成了由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成的、一團(tuán)均勻的漿糊，因此人們戲稱它為“離子漿”，這些離子漿中正負(fù)電荷總量相等，因此它是近似電中性的，所以就叫等離子體。 等離子體(plasma)：又叫做電漿，是由部分電子被剝奪后的原子及原子團(tuán)被電離后產(chǎn)生的正負(fù)離子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，其運(yùn)動(dòng)主要受電磁力支配，并表現(xiàn)出顯著的集體行為。 它廣泛存在于宇宙中，等離子體是一種很好的導(dǎo)電體，利用經(jīng)過(guò)巧妙設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)可以捕捉、移動(dòng)和加速等離子體。 等離子體 普通氣體與等離子體的對(duì)比 托卡馬克，是一種利用磁約束來(lái)實(shí)現(xiàn)可控核聚變的環(huán)形容器。 托卡馬克是一種將磁力線彎曲為環(huán)形的磁

7、約束裝置，最初是在上世紀(jì)70年代由蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)明。該裝置由中央環(huán)形的真空室及外繞線圈組成。 它的名字 Tokamak來(lái)源于環(huán)形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit）、線圈(kotushka)。 托卡馬克的中央是一個(gè)環(huán)形的真空室，外面纏繞著線圈。在通電的時(shí)候托卡馬克的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生巨大的螺旋型磁場(chǎng)，將其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達(dá)到核聚變的目的。 其突出的特點(diǎn)是磁力線為螺旋形,螺旋磁場(chǎng)由環(huán)形的磁場(chǎng)BT及極向場(chǎng)BP組成。這種設(shè)計(jì)可以克服開(kāi)環(huán)裝置兩端等離子體泄露的問(wèn)題,同時(shí)極向場(chǎng)滿足磁流體動(dòng)力學(xué)平衡的要求,維持等離子體在徑向和垂直方向上的平衡。 托卡馬克內(nèi)部結(jié)構(gòu)（真空室）

8、 托卡馬克內(nèi)部結(jié)構(gòu)托卡馬克內(nèi)部線圈分布示意圖1950年代,英國(guó)和美國(guó)主要集中在裝置的研究上，前蘇聯(lián)建造了世界上第一個(gè)托卡馬克裝置，其顯著優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)強(qiáng)大的環(huán)向磁場(chǎng)增加了等離子體的穩(wěn)定性。1960年代，限制器的發(fā)展與運(yùn)用，將等離子體與真空室隔離開(kāi)，使等離子體雜質(zhì)減少，得到較為純凈的等離子體，同時(shí)等離子體電子溫度升高。1980年代早期，建造了兩個(gè)大型的托卡馬克裝置。其設(shè)計(jì)等離子體電流可達(dá)兆安量級(jí)，并能獲得可觀的氘氚熱核反應(yīng)能量。1991年，TFTR和JET采用氘氚分別獲得了10MV和16MV的聚變功率輸出，這在托卡馬克裝置的發(fā)展上具有里程碑的意義。2006年11月21日，七個(gè)成員國(guó)美國(guó)、歐盟、俄羅斯

9、、中國(guó)、日本、印度和韓國(guó)簽署了建造ITER(國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆）合作協(xié)議。2006年9月28日，中國(guó)耗時(shí)8年、耗資2億元人民幣自主設(shè)計(jì)、自主建造而成的新一代熱核聚變裝置EAST首次成功完成放電實(shí)驗(yàn)，獲得電流200千安、時(shí)間接近3秒的高溫等離子體放電。EAST（東方超環(huán)）成為世界上第一個(gè)建成并真正運(yùn)行的全超導(dǎo)非圓截面核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。 “東方超環(huán)”是由中國(guó)科技工作者獨(dú)立設(shè)計(jì)制造的世界首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克，于2007年3月通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收，其三大科學(xué)目標(biāo)是在未來(lái)15年內(nèi)實(shí)現(xiàn)1兆安電流、1000秒放電、1億度高參數(shù)等離子體的穩(wěn)定運(yùn)行，為國(guó)際熱核聚變?cè)囼?yàn)堆ITER和中國(guó)未來(lái)獨(dú)立設(shè)計(jì)建設(shè)運(yùn)行聚變堆奠定堅(jiān)實(shí)的科學(xué)

10、和技術(shù)基礎(chǔ)。 2016實(shí)驗(yàn)獲得的穩(wěn)定的102秒放電是時(shí)間最長(zhǎng)的托卡馬克高溫偏濾器等離子體放電，處于國(guó)際領(lǐng)先水。對(duì)未來(lái)ITER的物理實(shí)驗(yàn)有重要的借鑒作用。 EAST 裝置主機(jī)結(jié)構(gòu) EAST全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置(1)關(guān)鍵是熱核試驗(yàn)堆第一壁材料的選用 也就是面向高溫等離子體的第一壁結(jié)構(gòu)材料的選擇，也稱為面向等離子體材料（PFMs）。 目前，世界上已有的材料中還沒(méi)有任何一種材料能勝任第一壁的工作要求。 （2）PFMs的性能要求 熱核聚變裝置中，聚變等離子體的邊緣與PFMs有著強(qiáng)烈的沖刷作用，PFMs的主要功能是有效控制進(jìn)入等離子體的雜質(zhì)，有效傳遞輻射到材料表面的熱量，保護(hù)非正常停堆時(shí)其它部件因

11、受等離子體轟擊而損壞。（1）良好的導(dǎo)熱性、抗熱沖擊性和高熔點(diǎn)（）低的濺射產(chǎn)額（）氫（氘、氚）再循環(huán)作用低（）低的放射性 所以鎢及鎢基材料具有高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率、低濺射產(chǎn)額和高自濺射閾值、低蒸氣壓和低氚滯留性能，成為最具應(yīng)用前途的一類PFMs。 PFMs的選擇是一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的工作，鈹、碳基材料以及鎢是目前最為熱門的候選材料，下表給出了幾種熱門候選材料在600下的基本性能。幾種PFMs在600的基本性能 鈹、碳基材料以及鎢是目前最為熱門的PFMs的候選材料，除了上述熱門的候選材料外，尋找和開(kāi)發(fā)新的用于未來(lái)核聚變裝置的PFMs也是一項(xiàng)重要的挑戰(zhàn)和工作。 我國(guó)未來(lái)聚變發(fā)展戰(zhàn)略應(yīng)瞄準(zhǔn)國(guó)際前沿，廣泛利

12、用國(guó)際合作，夯實(shí)我國(guó)磁約束核聚變能源開(kāi)發(fā)研究的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，加速人才培養(yǎng)，以現(xiàn)有中、大型托卡馬克裝置為依托，開(kāi)展國(guó)際核聚變前沿課題研究，建成知名的磁約束聚變等離子體實(shí)驗(yàn)基地，探索未來(lái)穩(wěn)定、高效、安全、實(shí)用的聚變工程堆的物理和工程技術(shù)基礎(chǔ)問(wèn)題。第一：（20152020）以建立近堆芯級(jí)穩(wěn)態(tài)等離子體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，吸收消化、發(fā)展與儲(chǔ)備聚變工程實(shí)驗(yàn)堆關(guān)鍵技術(shù)，并設(shè)計(jì)、聚變工程實(shí)驗(yàn)堆關(guān)鍵部件預(yù)研等為近期目標(biāo)。第二： (20202040 年)以建設(shè)、運(yùn)行聚變工程實(shí)驗(yàn)堆，開(kāi)展穩(wěn)態(tài)、高效、安全聚變堆科學(xué)研究為中期目標(biāo)。 第三：(20502060 年)以發(fā)展聚變電站，探索聚變商用電站的工程、安全、經(jīng)濟(jì)性為長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)。1呂廣宏，羅廣南，李建剛磁約束核聚變托卡馬克等離子體與壁相互作用研究進(jìn)展J中國(guó)材料進(jìn)展，20