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浅谈可控热核聚变 报告人：刘健 北京大学物理学院 等离子体物理与聚变研究所 2010-04-01 内容简介 • 从能源和环境问题谈起 • 磁约束方案 – 仿星器、Tokamak – 加热与输运 – ITER项目 • 惯性约束方案 – 驱动源、驱动方式 – NIF项目 – 高能量密度物理 从能源和环境问题谈起 各国消耗能源比例（1999年数据） 能源 & 环境 • 生活水平与能源消耗成正比 – 衣食住行、工业生产、商业等人类的一切活动离不 开能源 • 能源紧缺 – 煤、石油、天然气等化石能源供应不足 – 太阳能、风能、水能、潮汐能的分散和不稳定性 • 环境污染 – CO2等污染物排放、温室效应 – 裂变反应堆产生的放射性污染物。 主要能源储量和可用年数估计 能源 储量（1018J） 单独可用（年） 实际可用（年） 煤 105 200 900 石油 104 20 60 天然气 104 20 100 U235 104 20 300 U238,Th232（增值堆） 107 20,000 聚变堆（D-T） 107 20,000 聚变堆（D-D） 1012 2x109 *上表数值均按照2001年世界能源消耗量（约为5x1020J）估计。 *引自”Plasma Physics and Fusion Energy”, J. Freidberg。 聚变能——新型清洁能源 爱因斯坦质能关系：E=mc2 D T He 4 (3.5MeV) n(14.1MeV) 17.6MeV D D He3 n 3.27MeV D D T H 1 4.03MeV D He3 He 4 H 1 18.3MeV n Li6 (7.56%) T He 4 4.79MeV n Li7 (92.44%) n T He 4 2.47MeV 化石能源 1,000,000吨石油 裂变能 = 0.8吨铀 聚变能 = 0.14吨氘 聚变和裂变堆关闭后的放射性 与裂变堆相比，聚变堆燃料丰、污染小、运转安全。 聚变反应比较 反应 截面 温度 燃料 辐射 D-D 小 低 易得 强 D-T 大 低 易得 强 D-3He 小 高 登月 弱 如右图所示，原子核碰撞能量满足一定条 件时，才具有足够大的反应截面。对于反 应截面最大的D-T反应，能量至少要达到 5keV（约5X107K） 如何达到如此高的碰撞能量（速度）？ 粒子束对撞 vs 热核聚变 最自然的想法：粒子加速器加速粒子束对撞。 散射截面 反应截面 106barn 5 barn (peak at 65keV) 散射截面大约是聚变反应截面的106倍，因此只有百万分之一的几率反应，且粒子 束密度很低，能量入不敷出。 只有热核聚变才有可能实现聚变能输出大于能量输入。 热核聚变需要将物质加热到所需温度（例如5keV，约5X107K ），在该温度下物质 已经被电离，处于等离子体状态。 由大量正负带电粒子（有时还有中性粒子）组成，空间、时间尺度足够大，具有 准电中性，以集体效应为主的体系，称作等离子体。 等离子体特性 • 电荷屏蔽现象：德拜半径 • 等离子体震荡：等离子体频率 • 等离子体碰撞：小角累加 利用聚变能的条件 • 聚变输出能量 > 输入能量（加热、辐射、转 换效率、其他损耗等） • 劳森判据（点火条件） – 1957年，英国物理学家劳森（Lawson）通过估 算给出了聚变自持燃烧的条件。 约束时间 等离子体密度 等离子体温度 约束方案 短程力，微观尺度， 无法用来做宏观约束 强力 弱力 利用磁场约束等离子体 电磁力 引力 恒星靠引力约束，需要很大的质量 磁约束聚变 磁场约束的环形位型 • 闭合磁力线要求环形磁 场 • 磁场弯曲引起导心漂移 – – – – 磁场曲率漂移 磁场梯度漂移 静电漂移 双极漂移 • 怎样更好地约束等离子 体？ – 仿星器 – Tokamak 仿星器 靠改变外磁 场位型来约 束等离子体 Tokamak 靠等离子体电流产生的磁场来限制漂移运动。 toroidal chamber with magnetic coils 世界上主要Tokamak设备 Plasma edge effect ITER specific issues: Dust tritium invento TRIAM, J EAST, China 等离子体加热 • 主线圈放电使气体电离，形成等离子体。 • 同时驱动等离子体电流并对等离子体进行 （欧姆）加热。 • 辅助加热手段： – 中性束注入 – 射频波加热 中性束注入 • 将中性粒子注入Tokamak，通过碰撞加热等离子体。 波加热 • 利用射频波为等离子体注入能量 • 磁化等离子体中各种波的色散关系、截止 与共振关系。 Tokamak中粒子运动的时间尺度 Device: 10-3Hz 3x108Hz 3x104Hz Heating: 108~102Hz Transport: 104~10-3Hz Timescale span: 1011 Direct numerical simulation is impossible! 输运 • 要约束等离子体就要限制粒子横越磁场的运动，减少输 运（温度梯度、压强梯度引起） • 带电粒子的横跨磁场运动： – 各种漂移 – 碰撞 – 反常输运 • 环形磁场结构的破坏 – 波、各种不稳定性（宏观不稳定性、微观不稳定性） • 磁场足够强 • 一定的磁场约束尽量高密度的等离子体（高β） • L模与H模 – 点燃新希望 ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor) 1985年开始谈判 2006年5月24日，7个成员签订《成立国际组织联合实施ITER计划的协定》 RF CN European Union KO JP IN ITER将建在法国的 Cadarache US ITER主要参数 • 50年 100亿欧元 23 000 吨 • 大半径 6.2 m • 等离子体小半径 2.0 m 拉长比 1.85 • 环向磁场 等离子体电流 15 MA 平均电子密度 1.1 ×1020 m-3 5.3 T • 辅助加热和电流驱动功率 73 MW • 平均离子温度 8.9 keV 峰值聚变功率 500 MW HL-2 • 西南物理研究所，环流2号。 EAST • 中科院等离子体物理研究所 惯性约束聚变 惯性约束聚变 靠物质惯性进行约束的方 案。例如：激光聚变 1963 年，索洛夫和道森 1964年，王淦昌 1.烧蚀 2.压缩 3.点火（转滞） 4.燃烧（扩散） 瑞利-泰勒不稳定性影响压 缩效果 惯性聚变下的点火判据 时间短（ns量级）要求密度大（1000倍固体密度） ρR>0.5g/cm2; T=5 keV — 12keV 靶 体点火 中心点火 快点火 惯性约束 • 驱动方式： – 直接驱动 – 间接驱动 • 驱动源： – – – – – 激光 重离子 X射线 宏观微粒 其他 • 驱动的目的： – 在一定空间内积累 大量的能量 – 达到 NIF (National Ignition Facility) ▪National Ignition Campaign ▪ Photo Science & Applications ▪ Inertial Controlled Fusion ▪ Science at the Extremes NIF (National Ignition Facility) 1997 May 29 - 2009 March, 192 Beams, 50TW 20ns ~ 1MJ. From the website of NIF HIF (Heavy Ion Fusion) • 激光作为驱动源： – 转换效率低 – 可重复性差 – 光学器件复杂 • 重离子束作为驱动 源 – 空间电荷效应导致 粒子束密度很低 – 如何提高能量密度 – 多束聚焦 Hypervelocity Impact Fusion 高速宏观微粒作为驱动源携带着很高 的能量密度，并且其在靶内的沉积效 果极好。 许多问题尚待解决：高能量密度下的 物态方程、辐射的输运、辐射与物质 相互作用，反应生成能量的沉积、… J.Liu, Z.X.Wang, C. Chen and Y.A.Lei, Nucl. Fusion (2009) Y.A.Lei, J.Liu, Z.X.Wang, Nucl. Instrum. Meth. A(2009) Z-箍缩 • 可以作为强x射线源。 • 腊肠不稳定性与扭曲不稳定性。 高能量密度物理 能量密度大 于1011J/m3 时的状态称 作高能量密 度态。 压强大于 1Mbar时， 固体很容易 被压缩。 Frontiers in High Energy Density Physics 总结 • 可控热核反应为我们提供了解决能源问题 的新途径。但仍任重道远 • 混合堆 – 结合聚变堆与裂变堆的优势 – 更易于实现 – 比裂变堆更安全 – 降低了聚变能增益的要求 谢谢！