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 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 惯性约束方案 仿星器、Tokamak 加热与输运 ITER项目 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 能源紧缺 环境污染 衣食住行、工业生产、商业等人类的一切活动离不开能源 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 100 U235 300 U238,Th232（增值堆） 107 20,000 聚变堆（D-T） 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 30 year∙person 爱因斯坦质能关系：E=mc2 化石能源 裂变能 聚变能 1,000,000吨石油 = 0.8吨铀 = 0.14吨氘 30 year∙person

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 D-3He 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

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） 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 等离子体温度 等离子体密度

约束方案 短程力，微观尺度，无法用来做宏观约束 强力 弱力 电磁力 引力 恒星靠引力约束，需要很大的质量 利用磁场约束等离子体

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 怎样更好地约束等离子体？ 仿星器 Tokamak 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 this chart shows Most of them . Thesize and shpae of the plasma cross section are shown against the time they went in opewrations. Many are still operating, and many will continue to operate side by side to ITER to complement its operational programme. The largest in operations is JET at Culham) It is also interesting to note that ITER incorporates all the successfull developments of tokamaks: It has an elongated (D-shaped) cross-section It has a divertor It has superconducting coils it will operate for 30000 discharges with DT TRIAM, J EAST, China

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： 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： 环形磁场结构的破坏 磁场足够强 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) European Union CN IN RF KO JP US ITER将建在法国的Cadarache

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 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 5.3 T 等离子体电流 15 MA 辅助加热和电流驱动功率 73 MW 平均电子密度 1.1 ×1020 m-3 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： 重离子束作为驱动源 转换效率低 可重复性差 光学器件复杂 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

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 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！