聚变能利用与国际热核试验堆.ppt

聚变能利用与国际热核试验堆 北京大学物理学院 郑春开 人类生存发展面临能源的严峻挑战 化石燃料资源有限，不可能长期满足人类生存发展需要 化石燃料 (煤炭、石油、天然气）有限， 几十、百余年或2-3百年将耗尽！ 直接燃烧化石燃料，给环境造成严重威胁 排放大量有害物质和二氧化碳（温室效应） 一氧化碳、烟尘、二氧化硫、氮氧化物、；三、四苯芘（强致癌）；放射性飘尘（辐射损伤）。 核能为人类生存发展提供长期稳定的能源！ 聚变能是解决能源问题的根本途径 核能：裂变能和聚变能 裂变能利用： 热堆电站：铀利用率太低～1-2%（只用235U） 快堆电站：铀利用率：60-70% 天然238U （包括热堆乏燃料！）通过中子增殖，再生核燃料239Pu， n → 238U → 239U → 239Np → 239Pu “烧掉”铀-238，再生更多的钚-239, 核燃料再生利用 铀资源可用2000年！ 根本解决能源问题：利用聚变能 聚变反应发现 1934年，澳大利亚奥利芬特（Oliphant）用氘轰击氘，生成一种具有放射性的新同位素氚，第一个实现了D-D核聚变反应 1942年美国普渡大学的施莱伯（Schreiber）和金（King）又首次实现了D-T核反应 聚变反应与聚变能 聚变反应： D + D → 3He + n + 3.27 MeV D + D → T + p + 4.03 MeV D + 3He → 4He + p + 18.35 MeV D + T → 4He + n + 17.59 MeV ? D是氘核（重氢）、T是氚核（超重氢） 总的反应效果： 6 D → 2 4He + 2p + 2n + 43.24 MeV 平均每核子的聚变能比裂变能大4倍 聚变的燃料资源丰富 海水氘（D）在氢中占1/6500， 每升海水中含氘33mg 每升海水聚变能 = 300升汽油燃烧释放能量 海水中氘总量 35万亿吨 ，可用几亿年！ 氚天然不存在, 靠锂生产： n +6Li → T + 4He + 4.8 MeV 地球上锂丰富，我国可采的锂数百万吨；聚变产生1万亿度电只需100吨锂； 氦-3：月球上丰富，50-500万吨，用月球车运回1000吨，可发电万亿度, 现在谈氦-3利用是过早了! 巨大太阳能的来源 太阳核聚变： 主要是质子循环 p + p → D + β+ + ν p + D → 3He + γ 3He + 3He → 4He + p + p 4 p → 4He + 2e+ + 2ν + 26.7MeV 比235U每核子裂变能大8倍。 太阳每天聚变“燃烧”50万亿吨氢，太阳的氢可稳定燃烧几十亿年！ 地球上建造的产生核聚变能装置，称“人造太阳”。 聚变反应的困难 两个核都带正电，引起聚变反应必须克服库仑斥力。设想的方法有三种： 1.用加速器加速氘核，再使其轰击含氘的固体靶，引起核聚变很容易,但在能量上得不偿失！ 2.用两束高能氘核对撞实现核聚变, 两束氘核几乎是完全透明，几率太低！ 3.受控热核反应 ：将一团氘核约束在一起，并加热使其到达足够高的温度，形成完全电离气体，称“等离子体”，通过核间频繁地碰撞，依靠氘核自身热运动的动能，使两核相互接近，可望发生核聚变，称受控热核反应。 受控热核反应条件 实现核能利用，条件十分苛刻，满足： 高温：燃料（氘、氚）需1～10亿度（克服静电排斥）—— 高温氘氚等离子体 约束：足够密度与足够长时间 DT反应要求相对低些 DD反应要求高 条件十分苛刻，是对人类的重大挑战！ 因此聚变发现，并不像1939年裂变发现那样震惊世界。只有实现原子弹爆炸后，聚变能才以氢弹爆炸形式得到释放。 实现受控热核反应途径 1. 磁约束—利用磁场约束等离子体 成功典型：托卡马克装置 2. 惯性约束— 激光核聚变 1963巴索夫（苏）、1964王淦昌（中）分别提出 因为出现高功率激光器，使之成为可能。 要达到极高温度、实现热核聚变，还需采用各种加热手段。 核聚变的研究由秘密转向公开 二战末期，前苏联和美、英各国在互相必威体育官网网址的情况下开展核聚变的研究； 秘密的研究结果远未达到当初的期望，人们开始认识到核聚变问题的复杂和艰难，都感到必威体育官网网址不利于研