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托卡馬克核聚變

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托卡馬克核聚變,也稱超導托卡馬克可控熱核聚變(EAST)、超導非圓截面核聚變實驗,核物理學重要理論之 一,也是核聚變實現的重要途徑之一。托卡馬克核聚變是海水中富含的氘、氚在特定環境和超高溫條件下使其實現核聚變反應,以釋放巨大能量,世界各國科學家為已在20世紀中葉開始相關研發。

1概念解讀

托卡馬克核聚變

  托卡馬克核聚變

托卡馬克(Tokamak)核聚變是一種利用磁約束來實現受控的核聚變。它的名字Tokamak來源於環形(toroidal)、真 空室(kamera)、磁(magnit)、線圈(kotushka)。最初是由位於蘇聯莫斯科的庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等人在20世紀50年代發明的。
托卡馬克核聚變的中央是一個環形的真空室,外面纏繞著線圈。在通電的時候托卡馬克的內部會產生巨大的螺旋型磁場,將其中的等離子體加熱到很高的溫度,以達到核聚變的目的。

2優勢

相比其他方式的受控核聚變,托卡馬克擁有不少優勢。1968年8月在蘇聯新西伯利亞召開的第三屆等離子體物理和受控核聚變研究國際會議上,阿齊莫維齊宣布在蘇聯的T-3托卡馬克上實現了電子溫度1keV,質子溫度0.5keV,nτ=10的18次方m-3.s,這是受控核聚變研究的重大突破,在國際上掀起了一股托卡馬克核聚變的熱潮,各國相繼建造或改建了一批大型托卡馬克裝置。其中比較著名的有:美國普林斯頓大學由仿星器-C改建成的STTokamak,美國橡樹嶺國家實驗室的奧爾馬克(Ormark),法國馮克奈-奧-羅茲研究所的TFRTokamak,英國卡拉姆實驗室的克利奧(Cleo),西德馬克斯-普朗克研究所的PulsatorTokamak。

3中國狀況

2006年9月28日,中國耗時8年、耗資2億元人民幣自主設計、自主建造而成的新一代熱核聚變裝置EAST首次成功完成放電實驗,獲得電流200千安、時間接近3秒的高溫等離子體放電。EAST成為世界上第一個建成 並真正運行的全超導非圓截面核聚變實驗裝置。核反應釋放的能量相當於相同質量的物質釋放的化學能的數十萬倍至百萬倍。核反應有核裂變、核聚變兩種形式。一個重核在中子的轟擊下分裂成高能碎片的反應叫做核裂變,主要反應物是稀少的放射性元素鈾、鈈等,如原子彈爆炸;兩個輕核發生碰撞結合成重核的反應叫做核聚變,主要反應物為氫的同位素氘和氚,如氫彈爆炸、太陽發光發熱等。

4超導技術在托卡馬克中的運用

占發電量比重較大的核電站就是在控制之下的裂變能利用。托卡馬克核聚變,通過約束電磁波驅動,創造氘、氚實現聚變的環境和超高溫,並實現人類對聚變反應的控制。受控熱核聚變在常規托卡馬克裝置上已經實現。但常規托卡馬克裝置體積龐大、效率低,突破難度大。上世紀末,科學家們把新興的超導技術用於托卡馬克核聚變,使基礎理論研究和系統運行參數得到很大提高。

5研發背景

能源是社會發展的基石。以煤炭、石油、天然氣等化石能源替代柴薪的第一次能源革命帶來了社會經濟的飛速發展。然而這些寶貴的資源就這樣被燃燒掉,同時造成了嚴重的污染。據估
托卡馬克核聚變
計,一百年後地球上的化石能源將會面臨枯竭。面對著即將來臨的能源危機,人類有了一個共同的夢想——尋求一種無限而清潔的能源來實現人類的持續發展。
托卡馬克核聚變研究舉步維艱,根本原因是輕元素原子核的聚合遠比重元素原子核的分裂困難。原子核之間的吸引力是很大的,但原子核都帶正電,又互相排斥,只有當兩個原子核之間的距離非常接近,大約相距只有萬億分之三毫米時,它們的吸引力才大於靜電斥力,兩個原子核才可能聚合到一起同時放出巨大的能量。因此,首先必須使聚變物質處於等離子狀態,讓它們的原子核完全裸露出來。然而,兩個帶正電的原子核越互相接近,它們之間的靜電斥力也越大。只有當帶正電的原子核達到足夠高的動能時,這需要幾千萬甚至幾億攝氏度的高溫,它們的碰撞才有機會使它們非常接近,以致產生聚合。
1933年,人們用加速器使原子核獲得所需的動能,在實驗室實現了核聚變。可是從這樣的核聚變中得到的能量比加速器消耗的能量要小得多,根本無法獲得增益的能量。1952年,美國用原子彈爆炸的方法產生高溫,第一次實現了大量氘、氚材料的核聚變。但這種方法的效果是,在極短時間內使核聚變釋放出巨大能量,產生強烈爆炸,即氫彈爆炸。人類要和平利用核聚變,必須是可以控制的聚變過程。核聚變反應比較切實可行的控制辦法是,通過控制核聚變燃料的加入速度及每一次的加入量,使核聚變反應按一定的規模連續或有節奏地進行。因此,核聚變裝置中的氣體密度要很低,只能相當於常溫常壓下氣體密度的幾萬分之一。另外,對能量的約束要有足夠長的時間。
二戰末期,前蘇聯和美、英各國曾出於軍事上的考慮,一直在互相保密的情況下開展對核聚變的研究。幾千萬、幾億攝氏度高溫的聚變物質裝在什麼容器里一直是困擾人們的難題。
1954年,第一個托卡馬克裝置在原蘇聯庫爾恰托夫原子能研究所建成。當人們提出這種磁約束的概念后,磁約束核聚變研究在一些方面的進展順利,氫彈又迅速試驗成功,這曾使不少國家的核科學家一度對受控核聚變抱有過分樂觀的態度。但人們很快發現,約束等離子體的磁場,雖然不怕高溫,卻很不穩定。另外,等離子體在加熱過程中能量也不斷損失。經過了二十多年的努力,遠未達到當初的樂觀期望,理論上估計的等離子體約束時間與實驗結果相差甚遠。人們開始認識到核聚變問題的複雜和研究的艱難。在這種情況下,蘇、美等國感到保密不利於研究的進展,只有開展國際學術交流,才能推進核聚變的深入研究。另外,磁約束核聚變與熱 核武器在科學技術上沒有重大的重疊,而且其商業應用的競爭為時尚早。於是,1958年秋在日內瓦舉行的第二屆和平利用原子能國際會議上達成協議,各國互相公開研究計劃,並在會上展示了各種核聚變實驗裝置。自這次會議后,研究重點轉向高溫等離子體的基礎問題,從二十世紀六十年代中到七十年代,各國先後建成了很多實驗裝置,核聚變研究進入了一個新的高潮期,人們逐漸了解影響磁約束及造成能量損失的各種機理,摸索出克服這種不穩定性及能量損失的對策。隨著核聚變研究的進展,人們對受控核聚變越來越有信心。
實現夢想需要科學。經過多年大量科學實驗證明在一種稱為托卡馬克核聚變能開發出無限而清潔的聚變能,它能幫助人類實現尋求能源的夢想。

6基本原理

核能是能源家族的新成員,包括裂變能和聚變能兩種主要形式。裂變能 是重金屬元素的核子通過裂變而釋放的巨大能量。受控核裂變技術的發展已使裂變能的應用實現了商用化,如核
托卡馬克核聚變
(裂變)電站。裂變需要的鈾等重金屬元素在地球上含量稀少,而且常規裂變反應堆會產生放射性較強的核廢料,這些因素限制了裂變能的發展。聚變能是兩個較輕的原子核聚合為一個較重的原子核並釋放出的能量。目前開展的受控核聚變研究正是致力於實現聚變能的和平利用。其實,人類已經實現了氘氚核聚變--氫彈爆炸,但那是不可控制的瞬間能量釋放,人類更需要受控核聚變。維繫聚變的燃料是氫的同位素氘和氚,氘在地球的海水中有極其豐富的蘊藏量。經測算,l升海水所含氘產生的聚變能等同於300升汽油所釋放的能量。海水中氘的儲量可使人類使用幾十億年。特別的,聚變產生的廢料為氦氣,是清潔和安全的。因此,聚變能是一種無限的、清潔的、安全的新能源。這就是世界各國尤其是發達國家不遺餘力競相研究、開發聚變能的根本原因。
受控熱核聚變能的研究主要有兩種--慣性約束核聚變和磁約束核聚變。前者利用超高強度的激光在極短的時間內輻照氘氚靶來實現聚變,後者則利用強磁場可很好地約束帶電粒子的特性,將氘氚氣體約束在一個特殊的磁容器中並加熱至數億攝氏度高溫,實現聚變反應。
托卡馬克(Tokamak)是前蘇聯科學家於20世紀50年代發明的環形磁約束受控核聚變實驗裝置。經過近半個世紀的努力,在托卡馬克上產生聚變能的科學可行性已被證實,但相關結果都是以短脈衝形式產生的,與實際反應堆的連續運行有較大距離。超導技術成功地應用於產生托卡馬克強磁場的線圈上,是受控熱核聚變能研究的一個重大突破。

7實驗裝置

「超導托卡馬克核聚變」實驗包括一個具有非圓小截面的大型超導托卡馬克實驗裝置和低溫、真空、水冷、電源及控制、數據採集和處理、波加熱、波驅動電流、診斷等子系統。其中超
托卡馬克核聚變
導托卡馬克裝置是本項目的核心。而超導托卡馬克裝置又包括超導縱場與極向場磁體系統、真空室、冷屏、外真空杜瓦及面對等離子體部件等部件。承擔各部件設計的工程技術人員,在充分集思廣益、充分發揮創新能力的基礎上,借鑒國際上同類裝置的經驗,通過一絲不苟的努力工作,目前各項工作的進展呈良性循環---設計推動了預研工作的進行,預研工作的結果又使設計得到進一步優化。
真空室
真空室是直接盛裝等離子體的容器,除了要為等離子體提供一個超高真空環境,要滿足裝置穩定運行時等離子體對電磁的要求以及為診斷等離子體的特性、等離子體加熱、真空抽氣、水冷及加料對窗口的要求、中子屏蔽的要求、還要滿足面對等離子體部件定位和准直的要求。HT-7U真空室是雙層全焊接結構,由於真空室離等離子體近,等離子體與真空室之間的電磁作用最直接,真空室上所受的電磁力最大,同時真空室要烘烤到250°C,因溫度變化所產生的熱變形大。設計人員考慮到以上這些因素,對真空室進行了所有可能工況下的多輪受力分析、電磁分析和傳熱計算,針對每一輪的計算結果對結構設計進行優化。目前已完成最新一輪滿足各項要求的結構在各種工況下的靜應力分析、模態分析、頻率響應分析和地震響應分析,為設計的可靠性提供了充分的依據。真空室試驗原型段的施工設計正在進行之中,真空室滿足熱脹冷縮要求的特殊支撐結構的試驗平台正在製造過程中,真空室窗口所使用的各種異型波紋管的研製也在緊張的進行。
面對等離子體部件
面對等離子體部件直接朝向等離子體,其表面性質直接影響等離子體雜質的返流和氣體再循環,等離子體的能量依靠面對等離子體部件的冷卻系統輸運到托卡馬克外。面對等離子體部件相對等離子體的位置的優化正與德國馬普等離子體所合作,利用他們的程序進行計算,已得出初步結果;直接面對等離子體的石墨材料正與山西煤化所合作研究,開發參雜石墨與石墨表面的低濺射塗層,用於石墨材料各項性能試驗的大功率電子槍和實驗系統正在裝修一新的實驗室中調試;用於試驗水冷結構和石墨性能的面對等離子體部件的試驗件已組裝到HT-7超導托卡馬克的真空室中,在即將進行的一輪試驗中進行各項指標的測試。
低溫系統
低溫系統是超導托卡馬克核聚變實驗裝置的關鍵外圍設備之一。它必須保障裝置的超導縱場磁體和極向場磁體順利地從室溫降溫至3.8-4.6K,並能長達數月保冷,維持超導縱場磁體正常勵磁和極向場磁體快脈衝變化的所需的致冷量。HT-7U超導托卡馬克裝置的低溫系統的2KW/4.4K工程設計已全面展開,部分外購設備已到貨且已安裝到位。新增兩隻100m3的中壓儲氣罐已安裝就序,新增100m3的低壓氣櫃也一穩穩地安放在低溫車間的一角,新建壓機站的五台嶄新的螺桿壓機被整齊地安裝在低溫車間中間,一台氦氣乾燥器、一台吸附器和兩台濾油器已安裝完畢。原俄羅斯贈送的OPG100/500二號制冷機的改造工作已經結束,德國FZK贈送的300W/1.8K制冷機的恢復施工即將開展。螺桿壓機站的電控部分和氣、水、油管線的施工正在緊張地進行。
真空抽氣系統
為等離子體的穩定運行提供清潔的超高真空環境,為超導磁體正常運行提供真空絕熱條件;充氣系統則為真空室的壁處理和等離子體放電提供工作氣體。真空抽氣系統完成了總體布局設計,抽速和抽氣時間計算;主泵、主閥、測量系統的選擇和配備;完成抽氣系統主泵和予抽泵16台合計58萬元訂貨。真空抽充氣系統的保護和控制已完成最終方案的設計。
總控與數據採集系統
是對整個裝置進行實時監測、控制與保護的分散式計算機網路系統。目前總控系統的安全巡檢系統、中央控制系統、脈衝充氣系統均已完成程序的設計,正在進行調試和預演;中央定時系統正在與國內相關單位合作研製,局域控制網正處於實施階段。數據採集系統的VAX-CAMAC採集系統、PC-CA MAC採集系統、PC採集系統、VXI採集系統、分散式數據伺服器、數據檢索系統和數據採集管理系統均已完成程序設計,正在進行診斷測量系統是一雙雙監視等離子體的眼睛,給出等離子體在不同的時間和空間的品質特性。除了HT-7上準備移到HT-7U上的診斷測量設備外,作為托卡馬克上的最重要的測量系統之一的電磁測量系統正在進行物理上的計算和磁探針、單匝環、Rogowski線圈、逆磁線圈、鞍形線圈等測量線圈的設計,由美國德克薩斯大學贈送的新型CO2激光器正在調試,它將用在HT-7U的遠紅外診斷上,其他診斷系統也在進行物理上的準備或設備上的準備。

8重大突破

中國在1956年制定的「十二年科學規劃」中決定開展核聚變研究,經過不懈努 力,到二十世紀八十年代,建成了中國環流器一號HL-1以及HT-6B、HT-6M等一批有影響的聚變研究
托卡馬克核聚變
實驗裝置。
探索新能源過程
等離子體所先後建造了中小型托卡馬克HT-6B和HT-6M,以及超導托卡馬克核聚變HT-7和全超導托卡馬克核聚變EAST。目前尚在運行的HT-7超導托卡馬克裝置是中國第一個超導托卡馬克,其實驗研究取得了多項重大成果,是繼法國之後第二個能產生分鐘量級高溫等離子體放電的托卡馬克裝置。
EAST裝置研製過程
等離子體所發展了一系列高新技術,一些技術國際領先,並有著廣泛的應用前景,如大型超導磁體、超高真空、偏濾器、超導導體生產等技術。還有一些獨創 的技術得到國際同行專家的讚賞和借鑒 ,如將高溫超導接頭技術運用到托卡馬克,並取得相當好的效果,極大地提高裝置效率,目前該項技術已被國際ITER項目借鑒。

EAST的建設和投入運行

為世界近堆芯聚變物理和工程研究搭建起了一個重要的實驗平台,為中國磁約束核聚變研究的進一步發展,提升中國磁約束聚變物理、工程、技術水平和培養高水平人才奠定了堅實基礎。EAST是世界上唯一投入運行的全超導磁體的托卡馬克裝置,將為國際熱核聚變實驗堆(ITER)的建設及聚變能的發展做出了重要貢獻。
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