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核聚变和ITER介绍 Department of Physics Beijing University of Aeronautics and Astronautics 1，什么是核聚变 2，核聚变用作能源的两个重大优点 3，核聚变发生的条件 4，受控核聚变的原理 5，受控核聚变的方式 6，TOKAMAK受控核聚变的发展 7，什么是“超导托卡马克装置” 8，中国在受控核聚变领域的发展 9，国际热核聚变实验堆（ITER）组织 10，金属的辐照损伤和辐照效应 大纲 什么是核聚变 核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核，并释放出能量的过程。 典型的聚变反应是 人类非常羡慕这种能源，但是目前只学会了破坏性地使用，这就是氢弹，一朵核聚变蘑菇云能轻易地抹平一座几百万人的城市。 在太阳过去的46亿年中，仅消耗了0.03%的质量。是什么东西这么耐烧呢？那就是核聚变。 核聚变用作能源的两个重大优点 一，地球上蕴藏的核聚变能远比核裂变能丰富得多。 据测算，每升海水中含有0.03克氘，所以地球上仅在海水中就有45万亿吨氘。1升海水中所含的氘，经过核聚变可提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量。至于氚，虽然自然界中不存在，但靠中子同锂作用可以产生，而海水中也含有大量锂。这就意味着，单靠海水，就能满足人类100亿年的能源需求。 第二个优点是既干净又安全。 因为它不会产生污染环境的放射性物质，所以是干净的。同时受控核聚变反应可在稀薄的气体中持续地稳定进行，所以是安全的。 核聚变发生的条件 太阳的中心温度高达1500万℃～2000万℃，中心压力达3.4多亿亿帕，太阳内的物质在这样高的温度和压力下，发生着剧烈的核聚变反应。 地球上没办法获得巨大的压力，只能通过提高温度来弥补，不过这样一来温度要到上亿度才可以发生热核反应。 受控核聚变的原理 第一步，作为反应体的混合气必须被加热到等离子态——也就是温度足够高到使得电子能脱离原子核的束缚，原子核能自由运动，这时才可能使得原子核发生直接接触，这个时候，需要大约10万摄氏度的温度。 第二步，为了克服库伦力，也就是同样带正电子的原子核之间的斥力，原子核需要以极快的速度运行，继续加温到上亿摄氏度，使原子核的布朗运动达到一个疯狂的水平。氚和氘的原子核以极大的速度发生碰撞，产生了新的氦核和新的中子，释放出量。 第三步，经过一段时间，反应体已经不需要外来能源的加热，核聚变的温度足够使得原子核继续发生聚变。只要将氦原子核和中子及时排除，新的氚和氘的混合气被输入到反应体，核聚变就能持续下去，产生的能量一小部分留在反应体内，维持链式反应，大部分可以输出，作为能源来使用。 迄今为止，人类还没有造出任何能经受1万摄氏度的化学结构。核聚变如此高的温度没有任何一种固体物质能够承受如此高温的反应体。 早在50年前，两种约束高温反应体的理论就产生了。 1，惯性约束核聚变 2，磁力约束核聚变（托卡马克） 可控核聚变方式 1，惯性约束： 这一方法是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体，装入直径约几毫米的小球内。从外面均匀射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸发，受它的反作用，球面内层向内挤压（反作用力是一种惯性力，靠它使气体约束，所以称为惯性约束），就像喷气飞机气体往后喷而推动飞机前飞一样，小球内气体受挤压而压力升高，并伴随着温度的急剧升高。当温度达到所需要的点火温度（大概需要几十亿度）时，小球内气体便发生爆炸，并产生大量热能。这种爆炸过程时间很短，只有几个皮秒（1皮等于1万亿分之一）。如每秒钟发生三四次这样的爆炸并且连续不断地进行下去，所释放出的能量就相当于百万千瓦级的发电站。 磁力约束（托卡马克）： 托卡马克(Tokamak)核聚变是一种利用磁约束来实现受控的核聚变。 根据带电粒子在磁场中的运动可知，带电粒子在垂直于磁场的方向受到洛伦兹力。只要磁场只要足够大，带正电的原子核就跑不出磁场。 建立一个环形的磁场，原子核就只能沿着磁力线的方向，沿着螺旋形运动，跑不出磁场的范围。在环形磁场之外建一个换热装置（此时反应体的能量只能以热辐射的方式传到换热体），然后再使用人类已经很熟悉的方法，把热能转换成电能就是了。 早在1954年，在原苏联库尔恰托夫原子能研究所就建成了世界上第一个托卡马克装置。貌似很顺利吧？其实不然，要想能够投入实际使用，必须使得输入装置的能量远远小于输出的能量才行，我们称作能量增益因子——Q值。当时的托卡马克装置是个很不稳定的东西，搞了十几年，也没有得到能量输出，直到1970年，前苏联才在改进了很多次的托卡马克装置上第一次获得了实际的能量输出，不过Q值只有10亿分之一。 别小看这个十亿分之一，这使得全世界看到了希望，于是全世界都在这种激励下大干快上，纷纷建设起自己的大型托卡马克装置： 欧洲建设了联合环-JET，苏联建设了T15