Cadarache, 22 June 2007 1 ITER 计划和 磁约束核聚变的科学技术进展 潘 传 红 等离子体物理研讨会 成都 2007-08-18.

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1 Cadarache, 22 June 2007 1 ITER 计划和 磁约束核聚变的科学技术进展 潘 传 红 等离子体物理研讨会 成都 2007-08-18

2 Cadarache, 22 June 2007 2 聚变研究已经 进入能源开发 阶段。国际热 核试验 (ITER) 已开始建设， 预计于 2016 年 建成 。 用以验 证 “ 稳态燃烧等 离子体物理过 程 ” 和部分验证 聚变堆工程技 术可行性。 受控核聚变研究进展和发展态势

3 Cadarache, 22 June 2007 3 磁 约 束 概 念磁 约 束 概 念磁 约 束 概 念磁 约 束 概 念 不同磁约束概念的比较与竞争 — 追求最优化的约束形态

4 Cadarache, 22 June 2007 4 等离子体物理学与核聚变 工程技术研究进展  受控热核聚变研究分为惯性约束和磁约束两种途径。两种途径的研究持续了 半个多世纪。八十年代以来形成了以托卡马克为重点途径的磁约束聚变研究 局面。  九十年代以来，在托卡马克装置上取得重大进展 : 1991 年 11 月，欧共体 JET 装置上首次成功地进行了 D-T 放电实验,1997 年创下了输出聚变功率 16.1MW 、聚变能 21.7MJ 的世界最高纪录； 美国的 TFTR 装置于 1993 年 10 月也实现了 D-T 反应； 1998 年，日本 JT-60U 装置上获得了聚变堆级的等离子体参数，聚变三乘积～ 1.53×10 21 keV · s · m -3 ， 等效聚变功率增益达到 1.25 。  国际热核聚变实验堆 (ITER) 开始建设，标志着聚变能研究由基础性研究开始 进入了实验堆的研究阶段。

5 Cadarache, 22 June 2007 5 ITER 的主要系统 : 磁场线圈系统，真空室系统，真 空室内部件（屏蔽包层模块和偏滤器元件），低温恒 温器，水冷系统，低温站，加热和电流驱动系统，供 电系统，加料和抽气系统，氚系统，诊断系统等。 有关技术研发已基本完成。 其中：中心螺管线圈、 环向场线圈、真空室、包层模块、偏滤器、屏蔽包层 模块遥控操纵系统、偏滤器遥控操纵系统等七大关键 部件的技术难度最大。 等离子体物理学与核聚变 工程技术研究进展

6 Cadarache, 22 June 2007 6 国际热核实验堆（ ITER ）计划进展 2006 年，七方共同签署了《国际热核实验堆联合实施协 定》， ITER 计划进入实施阶段。该计划是目前全球规模最大、 影响最深远的国际科研合作项目之一，建设周期十年，耗资五 十亿美元（ 1998 年值）。 七方成员分别为欧盟、中国、韩国、俄罗斯、日本、印度和 美国，包括了世界上主要的核大国和世界人口的一半。 ITER 计划的实施结果将决定人类能否迅速地、大规模地使 用聚变能，从而可能影响人类从根本上解决能源问题的进程。

7 Cadarache, 22 June 2007 7 参与 ITER 计划的七方

8 Cadarache, 22 June 2007 8 ITER 组织管理结构网络图

9 Cadarache, 22 June 2007 9 我国为何加入 ITER 计划？  通过参加 ITER 建设，全面掌握 ITER 设计、制造和建设的主要知识和技术，通过参 加 ITER 的实验及工程研究工作，掌握主要结果，将使我国聚变能研究迅速提高到实 验堆阶段，为我国建设示范堆、商用堆作好技术、人才准备。  借鉴 ITER 高功率、高密度稳态运行的技术基础，在国内大型托卡马克装置上发展 聚变关键技术，弥补我国当前与国际先进水平之间在大装置物理实验、氘氚点火实验 阶段的差距。  着眼示范堆 DEMO ，加强聚变堆材料的研究工作。  敏感技术的研发。  扩大国内聚变人才的培养。  参加 ITER 计划可以对我国重大基础技术和高新技术的发展起到推动作用。支持和 帮助一些重要企业的发展，对提高其技术水平和研发能力，增强其国际竞争力都具有 重要意义。

10 Cadarache, 22 June 2007 10 图 1. ITER 装置示意图 国际热核实验堆（ ITER ）示意图

11 Cadarache, 22 June 2007 11 ITER-FEAT 的科学基础和 ITER 的科学目标 “ 先进托卡马克运行模式 ” ITER-FEAT 的科学基础：先进托卡马克运行模式 高约束模 (H- 模 ) ， 高功率密度 (H- ß N ) ， 高额自举电流。 ITER 计划的科学目标： 集成验证先进托卡马克运行模式 验证 “ 稳态燃烧等离子 ” 体物理过程 聚变阿尔法粒子物理， 燃烧等离子体控制, 新参数范围内的约束定标关系， 加料和排灰技术。

12 Cadarache, 22 June 2007 12 ITER 计划的工程技术目标 “ 先进托卡马克运行模式 ” ITER 计划的工程技术目标 — 部分验证聚变堆的工程技术问题： ◆堆级磁体及其相关的供电与控制技术研究， ◆稳态燃烧等离子体（产生、维持与控制）技术 （无感应电流驱动技术、堆级高功率二级加热技术、堆级等离子体诊断技术、 等离子体位形控制技术、加料与除灰技术）研究， ◆初步开展高热负荷材料试验， ◆包层技术、中子能量慢化及能量提取、中子屏蔽及环保技术研究， ◆ (TBM ）低活化结构材料试验，氚增殖剂试验研究，氚再生、防氚渗透实验研究，氚回收 及氚纯化技术研究 ， ◆热室技术，堆芯部件远距离控制、操作、更换及维修技术研究。

13 Cadarache, 22 June 2007 13 ITER 部件先行试验和聚变关键技术开发

14 Cadarache, 22 June 2007 14 JT-60UJET EAST KSTAR SST-1 ASDEX-UDIII-D Tore Supra MAST ITER 计划及同时期的其它研究计划 HL-2M EAS T JT-60SA

15 Cadarache, 22 June 2007 15 结构材料 R&D 为了最大限度的减少活化产物，低 活化 “ 铁素体马氏体钢 ” 和钒基合金 的研制取得重大进展 Impurity control 中国低活化材料钒基合金的研制

16 Cadarache, 22 June 2007 16 FCI(Flow Channel Insert) MHD experiments Liquid metal experimental loop (LMEL) upgrade 改进后的液态金属试验回路 (LMEL) 以及 MHD 实验安排

17 Cadarache, 22 June 2007 17 我国承担的 12 个采购包 ( 实物贡献 ) 一览表： 磁体支撑（ 100% 、 22.85 kIUA ），包层第一壁 / 包层屏蔽体 (10%/40% 、 31.9 kIUA) ，气体阀门箱 和辉光放电清洗系统（ 88% 、 6.78 kIUA ） ， 中子学测量系统 （中子通量测量、 2.0I kIUA ） ; 修正场线圈 （ 100% 、 2.6 kIUA ），磁体引线 （ 100% 、 26.1 kIUA ），运输小车和机械手系统（ 只做小车、 8.2 kIUA ），光学测量系统（可见光谱测量、 3.3 kIUA ） ; 高压变电站设备（ 100% 、 21.0 kIUA ） ，交 - 直流转换（ 62% 、 50.0 kIUA ） ; 环向场磁体线圈导体 （ 7% 、 15.05 kUA ），极向场磁体线圈导体（ 69% 、 51.2 kIUA ）. 等离子体物理学与核聚变 工程技术研究进展

18 Cadarache, 22 June 2007 18 TBM 在 ITER 实验窗口的安装

19 Cadarache, 22 June 2007 19 以托卡马克为主流的磁约束概念发展势态 DEMO 技 术 的 发 展技 术 的 发 展 Specialized fusion experiments PROTO ITERToday’s Tokamaks DEMO Fusion Energy 托卡马克概念的发展

20 Cadarache, 22 June 2007 20 核聚变能源开发的进程

21 Cadarache, 22 June 2007 21 热核工程技术与示范堆、商用堆 ITER 与未来聚变示范堆和商用堆的区别 聚变示范堆与商用堆在 结构上相似，商用堆经 济性能可能比示范堆高。 ITER 与示范堆、商用 堆相比，除没有常规岛 （即热能转换成电能的 设备）外，其它结构相 同，但规模上小一点。

22 Cadarache, 22 June 2007 22 未来电站用聚变反应堆的核心技术

23 Cadarache, 22 June 2007 23 超导磁体技术开发 ITER 超导磁体技术开发带动 技术进步 对于未来的示范堆和商用堆而言, 高温超导磁体似乎更有应用前景 Nb 3 Sn conductor for ITER CS Model Coil Bi-2223/AgAu HTS demo for ITER coil leads

24 Cadarache, 22 June 2007 24 IFMIF 计划

25 Cadarache, 22 June 2007 25 氚增殖 – 实验包层模块（ TBM ）计划 聚变堆中包层模块应该具有如下功能：  吸收热能用于发电  吸收中子以保护磁体免受辐照  再生氚 实验包层模块（ TBM ）将安放 ITER 装置的中子 背境中，验证氚的增殖

26 Cadarache, 22 June 2007 26 ◆在受控热核聚变研究、等离子体应用技术和空间技术推动下， 聚变等离子体物理学迅速发展成为核科学的一个重要分支。 ◆能源短缺和环境恶化是 21 世纪人类社会面临的两大难题。经 过半个世纪的探索和研究，核聚变能源的科学可行性基本 得到验证，但仍然存在工程技术上的难题。 ◆ ITER 计划将集成验证稳态燃烧等离子体物理问题，部分验证 热核工程技术（即聚变堆工程技术）问题。 ITER 之外, IFMF 计划将用以验证低活化材料等工程技术问题。 ◆ ITER 计划的结果将决定人类能否迅速地、大规模地使用聚变 能，从而直接影响人类从根本上解决能源问题的进程。 小 结

27 Cadarache, 22 June 2007 27 谢