等离子体物理与核聚变.ppt

中国科学院等离子体物理研究所科研简介 能源----人类发展的动力 世界人口发展以及能源消耗 什么是核聚变？ 核聚变研究的基础—等离子体 可控核聚变研究 可控核聚变研究 未来的核聚变电站 蓝湖绿岛 * * 中国科学院等离子体物理研究所 等离子体与核聚变 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。 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。 能源危机不容忽视！ 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。 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”。 核能----未来能源的选择 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。 原子弹 氢弹 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。 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。 研究核聚变的基础是近亿度的高温等离子体。 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。 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。 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 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。 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，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，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。 托卡马克（tokama