磁约束核聚变研究现状和前景展望_万元熙

磁约束核聚变关键能量转换部件的磁流体力学探究

磁约束核聚变关键能量转换部件的磁流体力学探究 【摘要】新科技革命的到来，现代工业化生活所耗费的能量大部分来源于不可再生能源，这些能源非常有限，一旦耗尽，世界将会面临一场关于能源短缺的浩劫。近年来我国的磁约束核聚变用于工程技术研究和物力体力学研究方面取得了相当可观的成绩，该技术在很大程度上可以解决能源危机问题。本文详细阐述了磁约束核聚变的相关概念，分析了磁约束聚变与关键能量转换部件装置类别，重点介绍了核聚变反应堆以及磁流体力学实践运用。 【关键词】磁约束核聚变；磁流体力学；关键能量转换部件 0.引言 当今世界，无论是工业生产还是日常生活，所用到的能源绝大部分是来源于不可再生的化石燃料资源，这些不可再生的资源非常有限，现今许多国家正面临严峻的能源短缺问题。因此，核聚变能的运用在解决能源危机问题方面意义重大。磁约束核聚变作为可控核聚变的种类之一，在克服核聚变反应物的缺陷时又能够保证散发出强大的能源供应，目前世界各国相继投入了对磁约束核聚变的研究，陆续建立了不同磁场位置和形体的实验装置，重点研究磁约束核聚变关键能量转换部件的磁流体力学。 1.磁约束核聚变概念分析 磁约束核聚变是一种结合磁场引力和高热等离子体能量来实现核聚变反应的高科技，这个步骤的具体做法是，首先对已知燃料进行加热处理，让燃料变成等离子体形态，然后利用磁场引力的作用，抑制住高热等离子中的带电粒子，让带电粒子呈现螺旋状线性运动，最后对等离子体进行再次高温加热，直到发生核聚变反应。 2.磁约束聚变与装置类别分析 在20世纪六、七十年代，磁约束等离子燃烧核聚变研究已经经过了多次尝试和研究，依然取得了许多突破性的进展，世界各国相继创建了许多种功能各异、花样繁多的用于实现磁约束等离子燃烧核聚变反应的科学实验装置，主要有托卡马克、多极场、仿星器、磁场镜等不同磁场位形的装置[1]。这些高科技试验装置的创建目的就是为了研究使磁约束等离子体的稳定性发生改变以及能量损耗的形成原理，并力图寻找出克服高温等离子体不稳定性和能量损耗的方法。为实现磁约束核聚变反应常用的装置是托卡马克装置，这个装置主要起到引流、等离子高温加热等作用，与其它装置相比较而言，托卡马克污染较少、安全性更高、运行稳定等优势。托卡马克是一种圆状环形强力磁场装置（如图1所示），由于其结构造型特殊，圆状环形的强力磁场以及极向磁场的相对稳定作用，使得高温等离子体的稳定性加强，抑制高温等离子体中带电粒子的消耗，并且通过高温等离子体中的带电粒子实现对等离子体的抑制、稳定以及运动方向等方面的控制，采用中性束摄入以及高温频率波加热装置对等离子体进行控制，将等离子体中带电粒子电流维持在未消耗状态。目前托卡马克已经成为磁约束反应研究的重点使用装置，并将成为最有可能实现核聚变反应走向商业化运作的有效途径。

国际核聚变研究开发的现状和发展趋势_希物

中国核工业 ＺＨＯＮＧＧＵＯＨＥＧＯＮＧＹＥ中国核工业 ＺＨＯＮＧＧＵＯ ＨＥ ＧＯＮＧＹＥ ２００６年?第１２期?总第７６期 国际磁约束核聚变研究始于上世纪５０年代。国际上将核聚变研究的发展分为六个阶段，即：原理性研究阶段、规模实验阶段、点火装置实验阶段（氘氚燃烧实验）、反应堆工程物理实验阶段、示范反应堆阶段、商用化反应堆阶段。总体上看，国际磁约束核聚变界正处在点火装置和氘氚燃烧实验阶段，并逐步向反应堆工程实验阶段过渡。 上世纪９０年代，国际磁约束核聚变研究取得了突破性的进展，获得了聚变反应堆级的等离子体参数，初步进行的氘－氚反应实验，得到１６兆瓦的聚变功率。可以说，磁约束核聚变的科学可行性已得到证 实，有可能考虑建造“聚变能实验堆”，创造研究大规模核聚变的条件已经成熟。国际聚变研究在完成科学可行性验证后已于１９９６年正式定位为核聚变能源开发，其显著标志是国际原子能机构（ＩＡＥＡ）等离子体物理和受控核聚变研究国际会议于１９９６年正式更名为国际聚变能源大会。 近十年来，各国在托卡马克装置上的核聚变研究不断取得令人鼓舞的进展。１９９１年１１月９日，欧共体的ＪＥＴ托卡马克装置成功地实现了核聚变史上第一次氘－氚运行实验，在氘氚６比１的混合燃料（８６％氘，１４％氚）中，等离子体温度达到３ 亿摄氏度，核聚变反应持续了２秒钟，产生了１×１０１８个聚变中子，获得的聚变输出功率为０．１７万千瓦，能量增益因子Ｑ值达０．１１～０．１２。虽然高峰聚变功率输出时间仅有２秒，但这是人类历史上第一次用可控方式获得的聚变能，意义十分重大。这一突破性的进展极大地促进了国际托卡马克实验堆计划的开展。 １９９３年１２月９日和１０日，美国在ＴＦＴＲ装置上使用氘、氚各 ５０％的混合燃料，使温度达到３亿～４亿摄氏度，两次实验释放的聚变能分别为０．３万千瓦和０．５６万千瓦，大约为ＪＥＴ输出功率的２倍和４ 国际核聚变研究开发的现状和发展趋势 本期专题———关注中国核聚变研究 ◎撰文?希物 特斯拉、等离子体存在时间２９６０毫秒。 我国聚变研究的中心目标是在可能的条件下促使核聚变能尽早在中国实现。因此，参加国际热核聚变实验堆（ＩＴＥＲ）计划应该也只能是我国整体聚变能研发计划中的一个重要组成部分。国家将在参加ＩＴＥＲ计划的同时支持与之配套或与之互补 的一系列重要研究工作，如托卡马克等离子体物理的基础研究、聚变堆第一壁等关键部件所需材料的开发、示范聚变堆的设计及必要技术或关键部件的研制等。参加ＩＴＥＲ计划将是我国聚变能研究的一个重大机遇。 尽管就规模和水平来说，我国核聚变能的研究和美、欧、日 等发达国家还有不小的差距，但是我们有自己的特点，也在技术和人才等方面为参加ＩＴＥＲ计划作了相当的准备。这使得我们有能力完成约定的ＩＴＥＲ部件制造任务，为ＩＴＥＲ计划作出相应的贡献，并有可能在合作过程中全面掌握聚变实验堆的技术，达到我国参加ＩＴＥＲ计划总的目的。 １５

国家磁约束核聚变能发展研究专项

国家磁约束核聚变能发展研究专项 项目申请书 项目名称： 申报单位： 项目负责人： 申报日期： 1

中华人民共和国科学技术部制 2

项目摘要（1,000字左右） 简述开展项目研究的重要性和必要性、拟解决的关键问题、主要研究内容和目标、课题设置。 申请书正文（不超过30,000字） 一、立项依据 开展项目研究的重要性和必要性。 二、国内外研究现状和发展趋势 国际最新研究进展和发展趋势，国内研究现状和水平，相关研究工作取得突破的可能性等。 三、拟解决的关键科学技术问题和主要研究内容 详细阐述围绕国家磁约束核聚变能发展研究专项任务所要解决的科学技术问题。主要研究内容要围绕关键问题，系统、有机地形成一个整体来详细阐述，重点要突出，避免分散或拼盘现象。 四、阶段性目标和总体目标 详细阐述项目的总体目标和阶段性目标，要有具体、可考核的考核指标。 3

五、总体研究方案 结合主要研究内容阐述学术思路、技术途径及其创新性，与国内外同类研究相比的特色和取得突破的可行性分析等。 六、课题设置 围绕项目所要解决的关键问题、研究重点和预期目标合理设置课题。说明课题设置的思路、各课题间的有机联系以及与项目预期目标的关系；详细、具体叙述各课题的名称、主要研究内容和目标、承担单位、课题负责人及主要学术骨干和经费比例等。 七、现有工作基础和条件 1. 项目承担单位在所申报项目相关研究方面的工作基础和取得的主要研究成果。 2. 项目实施所具备的工作条件，包括实验平台和大型仪器设备等，国家实验室、国家重点实验室和重大科学工程等重要研究基地在项目中所起的作用等。 3. 项目申报单位近五年承担的与所申报项目直接相关的国家科技计划重大、重点项目的完成情况，与所申报项目的关联和 4

高三物理裂变和聚变

裂变和聚变 ★新课标要求 （一）知识与技能 1．知道核裂变的概念，知道重核裂变中能释放出巨大的能量。 2．知道什么是链式反应。 3．会计算重核裂变过程中释放出的能量。 4．知道什么是核反应堆。了解常用裂变反应堆的类型，了解核电站及核能发电的优缺点。 5．了解聚变反应的特点及其条件. 6．了解可控热核反应及其研究和发展. 7．知道轻核的聚变能够释放出很多的能量,如果能加以控制将为人类提供广阔的能源前景。 （二）过程与方法 1．通过对核子平均质量与原子序数关系的理解，培养学生的逻辑推理能力及应用 教学图像处理物理问题的能力。 2．通过让学生自己阅读课本，查阅资料，培养学生归纳与概括知识的能力和提出问题的能力。 （三）情感、态度与价值观 1．激发学生热爱科学、探求真理的激情，树立实事求是的科学态度，培养学生基本的科学素养，通过核能的利用，思考科学与社会的关系。 2．通过教学，让学生认识到和平利用核能及开发新能源的重要性。 3．确立世界是物质的，物质是运动变化的，而变化过程必然遵循能量守恒的观点。 ★教学重点 1．链式反应及其释放核能的计算。 2．重核裂变的核反应方程式的书写。 3. 聚变核反应的特点。 ★教学难点 1、通过核子平均质量与原子序数的关系，推理得出由质量数较大的原子核分裂成质量数较小的原子核释放能量这一结论。 2、聚变反应的条件。 ★教学方法 教师启发、引导，学生讨论、交流。 ★教学用具： 多媒体教学设备一套：可供实物投影、放像、课件播放等。 ★课时安排 1 课时 ★教学过程 重核裂变 （一）引入新课 教师：大家都知道在第二次世界大战即将结束的时候，美国于1945年8月6日、9日先后在日本的广岛、长崎上空投下了两颗原子弹，刹那间，这两座曾经十分美丽的城市变成一片废墟．大家还知道目前世界上有少数国家建成了许多核电站，我国也相继建成了浙江秦山核电站和广东大亚湾核电站等。我想，现在大家一定想知道原子弹爆炸及核发电的原理，那么，我们这节课就来学习裂变，通过学习，大家就会对上述问题有初步的了解。

国家磁约束核聚变能发展研究专项2014年项目申报指南和申报要求【模板】

附件1 国家磁约束核聚变能发展研究专项 2014年项目申报指南和申报要求 一、项目指南 1. EAST内部部件实时检测、分析及快速更换关键技术 通过对三维磁场下粒子轨迹、以及与第一壁材料相互作用的模拟，预测可能的损伤和燃料滞留，发展在真空环境下对东方超环（EAST）内部部件表面形貌的实时监测、表面损失的实时分析、表面损伤小部件快速更换的方法、技术。实现在实验期间，等离子体放电中、放电间的实时测量，以及损伤小部件的智能快速更换。 2. HL-2M装置大功率低杂波系统技术研究 在中国环流器二号M装置（HL-2M）上建成2MW长脉冲低杂波系统，发展高功率相控阵列天线技术，高功率微波传输及测量技术，多管高压平衡与微波输出功率平衡以及快速保护技术。针对HL-2M装置放电特点，优化低杂波系统设计，实现低杂波与等离子体的高效耦合。重点在国内形成3.7GHz大功率微波部件的设计、加工和测试能力，接近或达到国际先进水平。

3. 支持远程参与的稳态先进控制和数据采集系统 针对EAST稳态运行发展新的动力学控制算法，实现先进等离子体位形（如雪花偏滤器位形）的控制，研究先进的支持远程参与和稳态高参数条件下的稳态等离子体控制技术并开展实验研究。发展未来跨洋海量数据的传输、储存、可视化和虚拟化技术，实现准实时的海量数据分析和存储；支持远程国际参与的实验和数据模拟；研究在大规模国际合作的环境中有效的数据存储和数据安全。 4. 聚变材料研究用小型高通量高能氘铍中子源关键问题 针对磁约束核聚变工程用材料的筛选与快速评估，开展小型高通量高能氘铍中子源关键技术研究，包括：通过对超导加速器的束流输运和系统耦合的研究，研制高效、稳定、低束流损失的低β超导加速模块；研制安全、稳定、可靠运转的新型铍靶系统，并探索新型的靶材料；对小型大通量高能氘铍中子源进行整体模拟研究和参数优化设计。 5. CFETR超导模型线圈的关键技术 针对中国聚变工程实验堆（CFETR）超导磁体的关键科学和技术问题，开展对模型线圈的设计与分析、绕制、热处理、绝缘等关键技术问题研究，完成模型线圈的研制。开展针对CFETR实验运行条件下大电流、高磁场变化率条件下的

磁约束

一． 概述 众所周知，以一定速度进入均匀磁场中的带电粒子作螺旋线运动。进入非均匀磁场中的带电粒子将如何运动呢？现以典型的喇叭形磁场为例，用一种简明的方法进行分析，阐明了磁约束的基本原理及其在核聚变中的重要应用。 二． 带电粒子在喇叭形磁场中的运动 常见的典型的喇叭形磁场如图15-1所示。 为了方便起见，设图15-1示的磁场是关于Z 轴对称的空间缓变的；喇叭形磁场，它可用下表示 其中 为常数， 和 分别为柱坐标系中Z 轴和径向方向的单位矢量，a 是一个微小的参数，它表达了 随Z 和r 的缓慢变化。 电荷为q ，质量为m 的粒子以一定速度 （假定 之大小远小于真空中的光速） 进入图15-1所示的磁场中，它将如何运动呢？ 现将带电粒子的速度分解为平行于的纵向分量与垂直于的横向分量 。 带电粒子在 的z 分量 作用下，类似 于在均匀磁场中的带电粒子作螺旋线运动。但由于 随Z 增大而增强，其回旋

半径将逐渐减小，因此带电粒 子的轨道是一条会聚螺旋线，如图15-2 所示。 磁场的径向分量虽小，但对带电粒子的运动产生十分重要的作用，出现了十分有趣的特征。由径向磁场产生的洛仑兹力为： （2） 其中使带电粒子的横向速度之大小增加，因由 于的空间缓变,甚微，所以为圆柱坐标系中 方向的单位矢量）。 （2）式中第二项以表示，即： （3） (3)式所示之分力与方向相反，将使减小。可见磁场使带电粒 子的增加，减小。然而在稳定的磁场中运动的带电粒子的总动能是不变的。即： 常数（4） 从（4）式出发，由的变化可找出带电粒子横向速度的变化规律。今将（4）式对时间求导数得：（5） 其中

国家磁约束核聚变能发展研究专项2019年度项目申报指南

国家磁约束核聚变能发展研究专项 2019年度项目申报指南 （征求意见稿） 聚变能源由于资源丰富和近无污染，成为人类社会未来的理想能源，是最有希望彻底解决能源问题的根本出路之一，对于我国经济、社会的可持续发展具有重要的战略意义，是关系长远发展的基础前沿领域。 本专项总体目标是：在“十三五”期间，以未来建堆所涉及的国际前沿科学和技术目标为努力方向，加强国内与“国际热核聚变实验堆”（ITER）计划相关的聚变能源技术研究和创新，发展聚变能源开发和应用的关键技术，以参加ITER计划为契机，全面消化吸收关键技术；加快国内聚变发展，开展高水平的科学研究；以我为主开展中国聚变工程试验堆（CFETR）的详细工程设计，并结合以往的物理设计数据库在我国的“东方超环”（EAST）、“中国环流器2号改进型”（HL-2M）托卡马克装置上开展与CFETR物理相关的验证性实验，为CFETR的建设奠定坚实科学基础。加大聚变技术在国民经济中的应用，大力提升我国聚变能发展研究的自主创新能力，培养并形成一支稳定的高水平聚变研发队伍。

2019年，本专项将以聚变堆未来科学研究为目标，加快国内聚变发展，重点支持高水平的科学研究、理论与数值模拟研究、CFETR关键技术预研及聚变堆材料研发等工作，继续推动我国磁约束核聚变能的基础与应用研究。 按照分步实施、重点突出原则，2019年拟优先支持14个方向，国拨总经费4.0亿元。指南方向1~10，每个指南方向拟支持1~2个项目。指南方向11~14支持35岁以下青年科学家开展相关研究，每个指南方向拟支持5个项目。 本专项的项目执行期一般为5年。原则上所有项目应整体申报。指南方向1~10项目须覆盖相应指南研究方向的全部考核指标，下设课题数不超过4个，每个项目所含单位数不超过6个。指南方向11~14的项目下不设课题。 对于指南方向1~10，原则上只立1项，仅在申报项目评审结果相近、技术路线明显不同的情况下，可同时支持2个项目，并建立动态调整机制，根据中期评估结果确定后续支持方式。 申报单位根据指南支持方向，面向解决重大科学问题、突破关键技术及建立规模化资源共享平台进行整体设计、合理安排课题；项目负责人应具备较强的组织管理能力。 1.面向聚变堆高比压放电破裂预警、控制与缓解研究 研究内容：针对未来ITER、CFETR运行模式，依托HL-2A/M和EAST装置，在高性能等离子体（ N>2.8）和

磁流体力学数值方法及其在磁约束聚变中的应用-LSEC

磁流体力学数值方法及其在磁约束聚变中的应用 （2018年7月16日-17日） 倪明玖研究员 中国科学院大学 本系列课程主要介绍求解三维不可压磁流体动力学问题的有限体积法，主要围绕磁约束聚变反应堆关键部件研发，介绍液态金属磁流体力学的计算方法及应用。课程内容主要包括： － 磁约束聚变反应堆关键部件研发涉及的液态金属磁流体力学的研究背景 － 不可压流体的Navier-Stokes方程，介绍投影法及源项的处理方法 － 磁流体力学的一种精确计算方法-相容守恒格式 － 自由界面MHD，固体颗粒两相流MHD，湍流MHD，介绍其基本算法及具体应用。 授课老师简介 倪明玖，1997年获西安交通大学博士学位，1999-2001年为日本京都大学JSPS（日本学术振兴会）博士后，2001-2007年在美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）从事磁约束聚变相关的磁流体力学研究，2007年起为中国科学院大学教授。曾获国家杰出青金科学基金和中国科学院“百人计划”支持，为磁约束聚变能专项项目首席，基金委重点基金项目负责人。研究方向：磁流体力学、计算流体力学、多相流传热、核聚变工程技术。

不可压磁流体动力学方程组的混合有限元方法 （2018年7月18日-21日） 郑伟英研究员 中国科学院数学与系统科学研究院 本系列课程主要介绍求解三维不可压磁流体动力学方程组的混合有限元方法及高效求解算法，重点关注有限元方法的守恒型和求解算法的最优性。课程内容主要包括： － Stokes 方程和不可压 Navier-Stokes 方程的有限元方法； － 无感应磁流体方程组的电荷守恒型有限元方法； － 完整磁流体方程组的质量、磁通守恒有限元方法； － 基于算子预处理，设计离散问题的高效求解算法。 授课老师简介 郑伟英，研究员，1996年和1999年于郑州大学分别获数学学士、硕士学位；2002年于北京大学获计算数学博士学位，2002.7-2004.6年为中科院数学与系统科学研究院博士后；2006.11—2007.12为德国慕尼黑科技大学（TUM）洪堡基金访问学者；2004年6月以来在中科院数学与系统科学研究院工作至今；现任研究员，“科学与工程计算国家重点实验室”副主任；2017年获国家杰出青年科学基金资助。主要从事复杂介质电磁场问题、不可压磁流体问题的算法研究与并行程序研制，曾在大型变压器的可计算建模、分层介质电磁散射问题的完美匹配层方法、三维磁流体的守恒型有限元方法等方向取得重要进展。

高中物理专题19核裂变和核聚变练习(含解析)

课时19 核裂变和核聚变 1．太阳放出的能量来自于（） A．重核裂变 B．天然衰变 C．轻核聚变 D．人工转变 【答案】C 【解析】太阳放出的能量来自于太阳内部剧烈的热核反应，即轻核聚变，故C正确，ABD错误。 故选：C 2．一颗恒星的寿命取决于它的（） A．温度 B．颜色 C．质量 D．体积 【答案】C 【解析】因为天体大，质量大，万有引力就大，在巨大的引力下原子核之间的距离就更近，更容易引起核聚变，所以越大的恒星他的内部核聚变就越激烈，释放的能量也越大，燃料聚变的速度就越快，恒星死亡的也就越快。故选C. 质量小的恒星其寿命几乎同宇宙一样长，达一百多亿年；质量大的恒星，其寿命却只有几百万到几千万年．一般来说，质量越大，寿命越短． 3．在下列叙述中，不正确的是（） A．光电效应现象说明光具有粒子性 B．重核裂变和轻核聚变都会产生质量亏损 C．根据玻尔理论，氢原子从高能态跃迁到低能态时，原子向外释放光子，原子电势能和核外电子的动能均匀减小 D．电子和其他微观粒子，都具有波粒二象性 【答案】C 【解析】光电效应说明光具有粒子性，故A说法正确；重核裂变和轻核聚变都释放能量，都有质量亏损，故B说法正确；氢原子辐射出一个光子后，原子能量减小，轨道半径减小，根据，知核外电子的动能增大，原子能量等于动能和电势能之和，则电势能减小。故C说法错误；任何一个运动着的物体，小到电子质子大到行星太阳，都有一种波与之对应这种波称为物质波，故电子和其他微观粒子，都具有波粒二象性，故D说法正确。 3．现行人教版高中物理教材中有很多经典的插图能够形象的表现出物理实验、物理现象及物理规律，下列

四幅图涉及到不同的物理知识，其中说法正确的是（） A．甲图中，卢瑟福通过分析粒子散射实验结果，发现了质子和中子 B．乙图中，在光颜色保持不变的情况下，入射光越强，饱和光电流越大 C．丙图中，射线甲由电子组成，射线乙为电磁波，射线丙由粒子组成 D．丁图中，链式反应属于轻核裂变 【答案】B 【解析】 A. 卢瑟福通过分析粒子散射实验结果，提出了原子的核式结构模型，A错误。 B.根据光电效应规律可知在光颜色保持不变的情况下，入射光越强，饱和光电流越大，B正确。 C.因为射线甲受洛仑兹力向左，所以甲带正电，是由粒子组成，C错误。 D.链式反应属于重核裂变，D错误。 4．铀原子核发生衰变时衰变方程为，其中、、X的质量分别为m1、m2、m3，光在真空中的传播速度为c，则（） A．X是质子 B．m1＝m2＋m3 C．衰变时释放的能量为（m2＋m3－m1）c2 D．若提高温度，的半衰期不变 【答案】D 【解析】 A项：根据电荷数守恒、质量数守恒知，X原子核中的电荷数为2，质量数为4，是氦核，故A错误； B项：依据质量亏损，则m1＞m2+m3，故B错误； C项：根据爱因斯坦质能方程得，释放的能量（ ） ，故C错误； D项：衰期的大小与温度无关，故D正确。 5．下列说法正确的是（） A．动能相等的质子和电子，它们的德布罗意波长也相等

谈谈核裂变能与核聚变能

谈谈核裂变能与核聚变能 胡经国 据最近报道，位于英国牛津郡卡勒姆的、联合欧洲环形核聚变试验装置的科学家们，首次成功地进行了受控核聚变反应试验，从而使他们在探索核聚变能的竞争中，超过了美国和日本而居于世界领先地位。这次实验是在一个环形受控核聚变反应堆里进行的，持续时间只有2分钟，温度达到了3亿摄氏度，比太阳内部温度还要高20倍。该环形装置重达3500吨，是目前世界上最大的受控核聚变实验装置。那末，什么叫做受控核聚变与核聚变能呢？它们对未来世界能源研究与开发利用有何重要意义呢？ 为了回答这些问题，需要从核能（原子能）谈起。大家知道，原子核是由质子和中子组成的。质子和中子统称为核子。核子结合成原子核时释放的能量，或者原子核分解为核子时吸收的能量，称为原子核结合能。原子核结合能与组成该原子核的核子数之比，称为原子核核子的平均结合能。这就是一般所说的核能（原子能）。质量数较小的轻核（如氘、氚）和质量数较大的重核（如铀），其核子平均结合能均较小；质量数中等的原子核，其核子平均结合能较大，而且质量数为50%～60%的原子核，其核子平均结合能最大。这一规律称为原子核核子平均结合能随原子核质量数而变化的规律。 核能存在于原子核内部，只有使它释放出来才能被人类所利用。怎样才能使核能释放出来呢？原子核核子平均结合能随原子核质量数而变化的规律，是核能能够被释放出来的理论依据。由于质量数中等的原子核核子平均结合能较大，因而无论是将重核分裂成质量数中等的原子核，还是将轻核聚合成质量数中等的原子核，都能够使核能释放出来。所以，核能释放有以下两种途径：重核的裂变和轻核的聚变 第一种途径是重核的裂变。将重核分裂成质量数中等的原子核，称为重核的裂变，又叫做核裂变。核裂变是1938年由德国科学家哈恩和斯特拉斯曼发现的。他们用中子轰击铀原子核，导致了铀原子核的裂变。可见，快速中子的轰击是实现核裂变的条件。在重核裂变时，放出新的中子，新中子又引起其它重核裂变。这种不断进行的核裂变反应，称为链式反应。重核材料（如含铀的同位素铀238和铀235的材料）能够产生核裂变链式反应的最小体积，称为重核材料的临界体积。重核材料的体积一旦超过其临界体积，核裂变链式反应就迅速进行，同时在极短的时间内释放出巨大的能量，引起猛烈的爆炸。重核在核裂变反应过程中释放出的巨大能量，称为核裂变能。例如，1克铀235完全裂变所释放的核裂变能，相当于2.4吨煤完全燃烧所释放的化学能。 第二种途径是轻核的聚变。将轻核聚合成质量数中等的原子核，称为轻核的聚变，又叫

磁约束聚变现状研究

1 前言 能源是社会发展的基础，化石燃料不仅储量有限，而且会造成严重的生态环境破坏和污染，预期200多年后，人类将面临严重的能源枯竭问题，因此，必须尽快完成战略新能源的开发研究。在一系列的新能源中，核聚变能是最理想的清洁新能源。 核聚变反应包括氘氚反应、氘氦反应、氢硼反应等，其中氘氚反应在地球上最易实现，因其反应资源存在于海水中，一旦实现受控热核聚变，海水将成为人类取之不尽用之不竭的资源。这需要氘或氚，在一定条件下(如超高温和高压)让核外电子摆脱原子核的束缚，让两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核(如氦)，中子虽然质量比较大，但是由于中子不带电，因此也能够在这个碰撞过程中逃离原子核的束缚而释放出来，大量电子和中子的释放所表现出来的就是巨大的能量释放。 2 惯性约束聚变装置简介 现有的可控核聚变约束手段主要有两种，一种是惯性约束，一种是磁约束。惯性约束是指利用粒子的惯性作用来约束粒子本身，从而实现核聚变反应的一种方法。其基本思想是:利用驱动器提供的能量使靶丸中的核聚变燃料(氘、氚)形成等离子体，在这些等离子体粒子由于自身惯性作用还来不及向四周飞散的极短时间内，通过向心爆聚被压缩到高温、高密度状态，从而发生核聚变反应。该项研究主要在美国的国家点火装置（NIF），中国的神光-Ⅲ主机装置，如图1所示。 (a)

(b) 图1 (a)国家点火装置 (b)神光-Ⅲ主机装置 美国的国家点火装置位于加利福尼亚州的利弗莫尔国家实验室，在过去的一段时间里，其工作人员一直致力于将192束激光集中于一个花生米大小的、装有氢粒子的目标上。当能量为500太瓦的激光撞击到装有氢粒子的目标上后，会产生X光粒子，使得重氢原子和超重氢原子产生聚变，这种聚变使得少量物质转变为巨大能量。但由于技术问题，该项目在2012年末将工作重点由聚变能研究领域重新转回到核武器试验上。 我国的“神光-Ⅲ主机装置”，已在2015年由中物院基本建成。作为亚洲最大，世界第二大激光装置，神光-Ⅲ主机装置共有48束激光，总输出能量为18万焦耳，峰值功率高达60万亿瓦。 3 磁约束聚变装置简介 磁约束聚变是指用特殊形态的磁场把氘、氚等轻原子核和自由电子组成的、处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限的体积内，使它受控制地发生大量的原子核聚变反应，释放出能量。 自上个世纪60年代中期以来，各国科学家先后建成的磁约束装置包括托卡马克、仿星器、反场箍缩、磁镜、多级场等。 3.1 托卡马克 托卡马克，是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字Tokamak 来源于环形、真空室、磁、线圈，最初是由位于前苏联莫斯科的库尔

核裂变和核聚变的区别

两个较轻的原子（质量数大致小于16）聚合成一个较重的原子核，同时放出大量的能量，这种核反应叫聚变反应。它是获得原子能的重要途径之一。一升的海水约含有0.03克的氘，通过核聚变反应能产生相当于300升汽油燃烧所放出的能量。由于原子核间有很强的静电斥力，核聚变反应必须在几千万摄氏度至上亿摄氏度的高温下才能发生。太阳和一些恒星内部温度很高，原子核有足够在的动能克服核间静电斥力而发生聚变反应。太阳里发生的持续的核聚变反应，源源不断地给我们提供光和热。 一个重的原子核分裂成两个质量略为不同的较轻的原子核，同时放出大量能量，这种反应叫做裂变反应。裂变有自发裂变和受激裂变反应两种。自发裂变是原子核不稳性的一种表现形式，天然同位素自发裂变半衰期都很长，如铀-238约为1016年；一些原子核比铀原子核重的同位素（超铀核素）自发裂变半衰期相对较短，如锎-252只有85.5年。重原子核受到其他粒子（中子、带电粒子、光子）轰击时分裂成两个质量略为不同的较轻原子核，叫受激裂变。1947年，我国科学家钱三强、何泽慧首先观察到中子轰击铀裂变时，铀核也有分裂成三块或四块的情况。但这种现象是非常稀少的。三分裂和四分裂相对于二分裂之比分别为3：1000和3：10000。重核裂变时释放出大量的能量，是获得原子能重要途径之一。1公斤铀-235完全裂变释放出的能量相当于两万吨TNT炸药爆炸时释放的能量，也相当于2700吨标准煤完全燃烧释放出的能量。重核裂变反应释放的大量能量已在核电站中得到充分应用。 爱因斯坦１９０５年在提出相对论时指出，物质的质量和能量是同一事物的两种不同形式，质量可以消失，但同时会产生能量。１９３８年，德国科学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在居里夫人实验的基础上，发现了核裂变现象：当中子撞击铀原子核时，一个铀核吸收了一个中子，分裂成两个较轻的原子核，在这个过程中质量发生亏损，因而放出很大的能量，并产生两个或三个新的中子，这就是核裂变反应。 １９４６年，在法国居里实验室工作的中国科学家钱三强、何泽慧夫妇发现了铀核的"三裂变"、"四裂变"现象，即铀原子核在中子的作用下，除了可以分裂为两个较轻的原子核外，还可以分裂为三个甚至四个更轻的原子核。只有铀－２２３、铀－２３５和钚－２３９这三种材料的原子核可以由"热中子"引起核裂变，因此它们被称为易裂材料。其中只有铀－２３５存在于界，铀－２３３、钚－２３９分别是由自然界中的钍－２３２、铀－２３８吸收中子后生成的。而在天然铀中，铀－２３５仅占０．７％，其余的９９．３％几乎都是铀－２３８。 链式裂变反应释放的核能叫做核裂变能。这种２０世纪出现的新能源，目前已占人类总能源消费量的６％。核能的和平利用，对于缓解能源短缺、减轻环境污染都具有重要意义。但是，核裂变产生的核废料、核电站能否安全运转，都引起人们的忧虑。如果利用轻原子核的聚变反应产生的核聚变能够得到工业应用，那么人类将从根本上解决能源需求的问题。核聚变能是两个轻原子核结合在一起时，由于发生质量亏损而放出的能量。核聚变的原料是海水中的氘（重氢）。早在１９３４年，物理学家卢瑟福、奥利芬特和哈尔特克已在静电加速器上用氘－氘反应制取了氚（超重氢），首次实现了聚变反应。海水里的氘只占０．０１５％，但由于地球上有大量海水，每升海水中所含的氘通过核聚变反应产生相当于３００升汽油燃烧所放出的能量，因此可以利用的核聚变材料是极为丰富的。据估计，海水中的氘通过核聚变释放的聚变能可供人类在高消费水平的基础上使用５０亿年。有关科学家们正在积极研究、一些国家政府也大力支持开发丰富而清洁的核聚变能。 美国广播公司１９９９年４月１２日播发的一篇题为《为聚变开拓未来》的消息说：使用美国最新建成的试验核反应堆的科学家们认为，他们为２１世纪开发一种安全而又取之不尽的能源--聚变能- -而进行的努力取得了进展。建在美国中部新泽西州郊区普林斯顿大学等离子体物理实验室的"国家球形核聚变实验装置（ＮＳＴＸ）" ，使支持提供聚变能研究经

核科学技术术语 第9部分：磁约束核聚变(标准状态：现行)

I C S27.120.01 F40 中华人民共和国国家标准 G B/T4960.9 2013 核科学技术术语 第9部分:磁约束核聚变 G l o s s a r y o f n u c l e a r s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y t e r m s P a r t9:M a g n e t i c c o n f i n e m e n t f u s i o n 2013-02-07发布2013-07-01实施中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局

目次 …………………………………………………………………………………………………………前言Ⅲ1范围1………………………………………………………………………………………………………2磁约束核聚变1……………………………………………………………………………………………2.1基础1 …………………………………………………………………………………………………2.2工程27 …………………………………………………………………………………………………2.3诊断40 …………………………………………………………………………………………………2.4聚变堆43 ……………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………索引49汉语拼音索引49……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………英文对应词索引63

裂变和聚变练习题40道

一、选择题 1、一个U原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为U+n→X+Sr+2n，则下列叙述正确的是（） A.X原子核中含有86个中子 B.X原子核中含有141个核子 C.因为裂变时释放能量，根据，所以裂变后的总质量数增加 D.因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少 2、前段时间，伊朗及朝鲜的“核危机”引起了全球的瞩目，其焦点问题就是双方核电站采用轻水堆 还是重水堆，重水堆核电站在发电的同时还要以生产出可供研制核武器的钚，这种可 由铀经过n次衰变而产生，则n为（） A.2 B.239 C.3 D.1 3、目前核电站用的核反应是（） A.裂变，核燃料是铀 B.聚变，核燃料是铀 C.裂变，核燃料是氘 D.聚变，核燃料是氘 4、重核裂变和轻核聚变是人们获得核能的两个途径，下列说法中正确的是（） A.裂变过程和聚变过程都有质量增加 B.裂变过程和聚变过程都有质量亏损 C.裂变过程质量增加，聚变过程质量亏损 D.裂变过程质量亏损，聚变过程质量增加 5、浙江秦山核站第二期工程发电机已经并网发电，发电站的核能来源于的裂变，以下说法正 确的有（） A.原子核中有92个质子、143个中子 B.原子核中有143个质子、92个中子 C.是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，升高温度后，半衰期将缩短 D.裂变成两个中等质量的原子核和，可称为的放射性同位素 6、现已建成的核电站主要利用的是（） A.放射性元素衰变释放的能量 B.人工放射性同位素衰变释放的能量 C.轻核聚变释放的能量 D.重核裂变释放的能量 7、下列四个方程中，表示重核裂变的是（） A. B. C. D. 8、原子反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它主要由哪四部分组成（） A.原子燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统

磁约束实验报告

南昌大学实验报告 磁约束核聚变装置控制虚拟仿真实验报告 一、实验目的 （1）理解磁约束核聚变的基本原理； （2）熟悉托克马克实验装置控制的一般操作流程； （3）了解托克马克实验装置的一般平衡磁场位型、等离子体密度分布和温度分布的特征图像； （4）了解托克马克实验装置L 、H 模式下等离子体的密度和温度分布区别。 二、实验仪器 磁约束核聚变装置控制虚拟仿真实验系统：主要包括NCST 装置（南昌大学球马克实验装置模型）、抽真空系统、中央控制系统、电源系统、加料系统、磁场电源控制器、等离子体加热系统、磁场诊断探针、激光汤姆逊散射诊断系统、诊断数据采集器、数据处理系统等软件操作模块。 三、实验原理 托卡马克是一环形装置。欧姆线圈的电流变化提供产生、建立和维持等离子体电流所需要的伏秒数；极向场线圈产生的极向磁场控制等离子体截面形状和位置平衡；环向场线圈产生的环向磁场保证等离子体的宏观整体稳定性；环向磁场与等离子体电流产生的极向磁场一起构成磁力线旋转变换的和磁面结构嵌套的磁场位形来约束等离子体。在托卡马克装置上，已可通过大功率中性束注入加热和各种微波加热使等离子体达到和超过氘一氚有效燃烧所需的温度(>10K)。研究表明加大装置尺寸，约束时间大致按尺寸的平方增大。此外，还可通过提高环向磁场、优化约束位形和运行模式来提高能量约束时间。 高温等离子体被约束在不与真空室壁相碰的位置上，在约束过程中存在大量不稳定性、热传导损失和辐射损失等，在约束控制过程中需要不断诊断等离子体参数，抑制各种导致等离子体破裂的不稳定性发展，同时通过各种辅助加热使反应堆的输入和输出整体功率平衡，满足等离子体的点火条件，即著名的劳森判据： 2032210/E E p n T sK m ττ=≥?， （1） 才能实现等离子体的自持燃烧，其中n 和T 分别为约束等离子体密度和温度，E τ为等离子体能量约束时间，即等离子体能量由于热传导下降到1 e -的弛豫时间。从点火条件可知，T 的最小值和相应的E p τ值为：

关于组织申报国家重点研发计划国家磁约束核聚变能发展研究专项2018年度项目申报指南的通知【模板】

关于组织申报国家重点研发计划国家磁约束核聚变能发展研究专项2018年度项目申报指南的通知 各有关单位： 根据《科技部关于发布国家磁约束核聚变能发展研究专项2018年度项目申报指南的通知》（国科发基〔2018〕50号），为做好2018年国家重点研发计划重点专项申报工作，现将有关事项通知如下： 一、项目类型及申报条件 此次国家重点研发计划重点专项为“国家磁约束核聚变能发展研究专项”。请各申报单位对照各专项的申报指南（详见附件2）进行申报。 二、申报方式 1.网上填报。请各申报单位按要求通过国家科技管理信息系统公共服务平台进行网上填报。预申报书格式在国家科技管理信息系统公共服务平台相关专栏下载。项目申报单位网上填报预申报书的受理时间为：2018年6月8日8:00至2018年7月27日17:00。申报项目通过首轮评审后，申报单位进一步按要求填报正式申报书，并通过国家科技管理信息系统提交，具体时间和有关要求另行通知。 2. 纸质材料报送和业务咨询。请各申报单位于2018年7月25日前将加盖单位公章的预申报书（预申报书须通过系统直接生成打印，纸质，一式2份）及电子版，报送至市科技局高新处，联系方式如下： 联系人：XXX 联系电话：******** 3. 材料寄送。请各申报单位于2018年7月27日前（以寄出时间为准），将加盖申报单位公章的预申报书（纸质，一式2份），寄送承担项目所属重点专项管理的专业机构。

附件： 1. 科技部关于发布国家磁约束核聚变能发展研究专项2018年度项目申报 指南的通知 2. 国家磁约束核聚变能发展研究专项2018年度项目申报指南 **市科学技术局 2018年6月14日 科技部关于发布国家磁约束核聚变能发展研究专项2018年度项目申报指南的 通知 国科发基〔2018〕50号 各省、自治区、直辖市及计划单列市科技厅（委、局），新疆生产建设兵团科技局，国务院各有关部门科技主管司局，各有关单位： 2008年以来，“国家磁约束核聚变能发展研究专项”重点围绕国际热核聚变实验堆（ITER）关键技术、我国磁约束核聚变能装置和关键技术研发、高水平科学和工程技术人才培养等方向持续进行重点部署。2018年，将继续组织实施“国家磁约束核聚变能发展研究专项”。根据相关要求，现将“国家磁约束核聚变能发展研究专项”2018年度项目申报指南予以公布。请根据指南要求组织项目申报工作。有关事项通知如下。

磁约束原理与运用.

班级02321101 学号1120110436 姓名张鹏杰 磁约束原理与运用 [摘要]众所周知，以一定速度进入均匀磁场中的带电粒子作螺旋线运动。进入非均匀磁场中的带电粒子的运动轨迹是一条会聚的螺旋线。运用这一原理可以将热核反应中的等离子体约束在实验装置内从而实现可控的核聚变，为寻找新能源开辟蹊径。 [关键词]磁约束，等离子体，受控核聚变，能源 一、磁约束原理 带电粒子在磁场中沿螺线运动，回旋半径R与磁感应强度B成反比。在很强的磁场中，每个带电粒子的活动便被束缚在一根磁感线附近的很小范围内，只能沿磁感线做种纵向运动。 在热核反应的高温下，物质处于等离子态，有带电粒子组成，而由于上述原因，强磁场可以使带电粒子的横向输运过程受限。 在纵向，同样可以利用磁约束对粒子的运动加以限制。带电粒子的圆周运动可被等效视作通电线圈。设带电粒子的带电量为q，回旋频率为υ，回旋半径为R，则等效线圈中的电流I=q υ，面积S=，磁矩M=IS=qυ2π。对于在磁场中的回旋运动，可知υ=，R=，于是有： M== 理论上可以证明，在梯度不是太大的非均匀磁场中，带电粒子的磁矩M是个不变量。亦即，当带电粒子由较弱的磁场区进入较强的磁场区时（B增加），它的横向动能要按比例增加。然而由于洛伦兹力是不做功的，带电粒子的总动能不变，则纵向动能即纵向速度就要减小，甚至为零。通常将这种由弱到强的磁场位形叫做磁镜。如右图，两个同向通电线圈产生中间弱两边强的磁场位形，带电粒子在横向受到磁场约束，在纵向则在两线圈中来回反射，从而达到约 束的目的。不过，一部分纵向动能较大的粒子仍然有可能从磁镜两端逃出。而采用右图所示的环形磁约束结构则可避免这种情况。这种结构也是下面将要提到的托卡马克装置的基本结构。

李正武我国受控磁约束核聚变的奠基人

第17卷 第1期核聚变与等离子体物理V ol.17,No.11997年3月N uclear F usion and Plasma Physics M arch 1997李正武我国受控磁约束核聚变的奠基人 尚振魁1　邓希文o　钱尚介 ? (核工业西南物理研究院,成都610041)李正武先生,解放前去美国。1955年,经周恩来总理在日内瓦与美方严正交涉,被羁留在美的中国学者获准回国。李正武先生热爱新中国,放弃了在美职位与优越的生活条件,偕夫人孙湘先生,携出生仅二个月的幼子,与著名学者钱学森等同船返回祖国。 李正武先生早年从事轻核反应实验研究。在美期间,他解决了直接由核反应循环精密地自洽测定质量数从1至35所有轻原子核质量的问题,并由此得出当时最精确的爱因斯坦质量能量转换系数实验值。爱因斯坦质量能量转换关系被认为是整个物理学中也是自然界最根本的一个规律,同时也是原子能(核能)的基础。在同一时期,他进行了太阳物理方面的研究,成为后来提出热核聚变研究的先导。 李正武先生回国不久,正值我国着手制订“十二年科学技术长期规划”。他积极参与,提出多项建议。1955年末,他倡议在我国开展“可控热核反应”(即“受控核聚变”)的研究,并以“大能量”作为代号。自1958年开始,我国受控核聚变实验研究在中国科学院物理所和原二机部401所(现中国原子能科学研究院)相继展开。1961年,国家调整科研战线布局,核聚变研究从“元帅”降为“保留种子”。我国理论物理著名学者王承书先生调离原二机部401所14室。李正武先生由高能加速器研究和中国科技大学教学岗位调至受控核聚变研究岗位,迄至今日。 李正武先生1916年11月8日生于浙江省东阳县(现已改建为市),1934年浙江省高中毕业会考获第一名,同年在3600名全国考生中以第一名的成绩考入清华大学。“一二?九”学生运动时期,他热心参加,并于1936年冬参加“抗日前线服务团”赴绥远(现内蒙古自治区),参加了伟大的抗日战争。1938年毕业后,他去贵阳气象所,任技士。之后,他在江苏医学院(重庆)、复旦大学(重庆)、交通大学(重庆和上海)任助教、讲师、副教授。1946年,他考取教育部公费留学,去美国著名的加州理工学院,获博士学位。他的攻读主科为核物理,导师为C .C .劳列生与后来获诺贝尔奖的W .A .福勒;副科为(分子生物物理)噬菌体研究,导师为后来获得诺贝尔奖的M.德尔布鲁克。他先后在该校任研究助理、研究员。1954年,他去美国望城医学中心,创建了一台性能独特的钴射线治疗仪。多年之后,此治疗仪还在使用。1955年回国后,他协助我国原子核物理研究的先驱者赵忠尧先生研制完成了我国第一台1 o ?核工业西南物理研究院科学技术委员会主任,研究员 核工业西南物理研究院副院长,研究员核工业西南物理研究院院长,研究员