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[转载] 托卡马克(Tokamak)简介

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转载自 瀚海星云 等离子体版

磁约束简介

二十世纪后半叶,各种类型的核电站在世界范围内得到了异常迅速的发展。它们的原理都一样,利用铀等大原子量的重元素原子核的裂变,释放出巨大的能量,这就是人们所说的重核裂变,简称核裂变。然而,事实上在元素按原子量大小排列的另一端,小原子量的轻元素氢的原子核的聚合,也会产生巨大的能量。在氢原子核的聚合中,又以它的同位素氘和氚的原子核的聚合最容易实现。它被称为轻核聚变,简称核聚变。

理想的新能源

早在1933年,即发现核裂变现象五年前,人类就发现了核聚变。虽然核裂变比核聚变发现得晚,但是很快就实现了核裂变爆炸。随着受控核裂变发电获得成功,世界范围内大规模核电站建设迅速展开,并投入商业运行。

在核聚变实现后,同样,人们也试图能和平利用受控核聚变,如建立受控核聚变发电厂。与利用核裂变发电相比,利用受控核聚变的能量来发电具有许多优点:一是理论和实践都证明,核聚变比核裂变释放出的能量要大得多;二是资源蕴藏丰富,作为重核裂变主要原料的燃料铀,目前探明的储量仅够使用约一百年,而轻核聚变用的燃料氘在海水中储藏丰富,1升海水可提取30毫克氘,通过聚变反应能释放出相当于300公升汽油的能量,可谓取之不尽,用之不竭;三是成本低,1 公斤浓缩铀的成本约为1.2万美元,而1公斤氘仅需300美元;四是安全可靠,万一发生事故,反应堆会自动冷却而停止反应,不会产生放射性污染物,不会发生爆炸事故。

[幽灵多啦注] 安全可靠的原因是:假如用磁约束聚变,聚变反应的高温等离子体是工作在超低压强下的(相对于大气压);假如聚变装置发生泄漏,是外界大气往装置里泄漏,装置内温度迅速降低,聚变立即停止,同时等离子体中带电粒子复合中和,等离子体将不复存在。

但是,人类发现核裂变半个多世纪过去了,受控核聚变的研究进展缓慢,与受控核裂变的研究情况不同,受控核聚变至今还没有实现可利用的能量输出。

认识“托卡马克”

受控核聚变研究举步维艰,根本原因是轻元素原子核的聚合远比重元素原子核的分裂困难。原子核之间的吸引力是很大的,但原子核都带正电,又互相排斥,只有当两个原子核之间的距离非常接近,大约相距只有万亿分之三毫米时,它们的吸引力才大于静电斥力,两个原子核才可能聚合到一起同时放出巨大的能量。因此,首先必须使聚变物质处于等离子状态,让它们的原子核完全裸露出来。然而,两个带正电的原子核越互相接近,它们之间的静电斥力也越大。只有当带正电的原子核达到足够高的动能时,这需要几千万甚至几亿摄氏度的高温,它们的碰撞才有机会使它们非常接近,以致产生聚合。

1933年,人们用加速器使原子核获得所需的动能,在实验室实现了核聚变。可是从这样的核聚变中得到的能量比加速器消耗的能量要小得多,根本无法获得增益的能量。

1952年,美国用原子弹爆炸的方法产生高温,第一次实现了大量氘、氚材料的核聚变。但这种方法的效果是,在极短时间内使核聚变释放出巨大能量,产生强烈爆炸,即氢弹爆炸。人类要和平利用核聚变,必须是可以控制的聚变过程。核聚变反应比较切实可行的控制办法是,通过控制核聚变燃料的加入速度及每一次的加入量,使核聚变反应按一定的规模连续或有节奏地进行。因此,核聚变装置中的气体密度要很低,只能相当于常温常压下气体密度的几万分之一。另外,对能量的约束要有足够长的时间。

[幽灵多啦注] 上面这个“因此”似乎有些勉强。核聚变有两个分支,之一为磁场约束受控核聚变。托卡马克为该分支最具代表性的装置。上文已提到核聚变需要使物质处在高温的等离子态,它是一种流体,如何盛装(即约束)这种流体就成为一个问题。用任何固体容器去盛装,容器都会立即被高温所熔化,所以是不可行的。所谓磁场约束受控核聚变,正是通过巧妙构造磁场位型,使聚变的等离子体悬浮在真空中,从而将其约束住。磁场约束住等离子体,靠的是磁场的压强,简称磁压强。而等离子体作为一种流体,其中正负离子的热运动会产生压强,简称热压强。磁场要能约束住等离子体,磁压强必须大于(甚至是远大于)等离子体的热压强。所以为了减小等离子体的热压强,根据理想气体方程,可以减小它的温度或密度。但是温度降低了,聚变不能发生,所以只能减小它的密度。从而磁约束聚变都是在低密度下进行的。但是受控核聚变的另一分支──惯性约束聚变──则是在高压下进行的。

二战末期,前苏联和美、英各国曾出于军事上的考虑,一直在互相保密的情况下开展对核聚变的研究。几千万、几亿摄氏度高温的聚变物质装在什么容器里一直是困扰人们的难题。二十世纪五十年代初期,前苏联科学家提出托卡马克的概念。托卡马克(TOKAMAK)在俄语中是由“环形”、“真空”、“磁”、“线圈”几个词组合而成,这是一种形如面包(多纳)圈的环流器,依靠等离子体电流和环形线圈产生的强磁场,将极高温等离子状态的聚变物质约束在环形容器里,以此来实现聚变反应。

1954年,第一个托卡马克装置在原苏联库尔恰托夫原子能研究所建成。当人们提出这种磁约束的概念后,磁约束核聚变研究在一些方面的进展顺利,氢弹又迅速试验成功,这曾使不少国家的核科学家一度对受控核聚变抱有过分乐观的态度。但人们很快发现,约束等离子体的磁场,虽然不怕高温,却很不稳定。另外,等离子体在加热过程中
能量也不断损失。经过了二十多年的努力,远未达到当初的乐观期望,理论上估计的等离子体约束时间与实验结果相差甚远。人们开始认识到核聚变问题的复杂和研究的艰难。在这种情况下,苏、美等国感到保密不利于研究的进展,只有开展国际学术交流,才能推进核聚变的深入研究。另外,磁约束核聚变与热核武器在科学技术上没有重大的重叠,而且其商业应用的竞争为时尚早。于是,1958年秋在日内瓦举行的第二届和平利用原子能国际会议上达成协议,各国互相公开研究计划,并在会上展示了各种核聚变实验装置。自这次会议后,研究重点转向高温等离子体的基础问题,从二十世纪六十年代中到七十年代,各国先后建成了很多实验装置,核聚变研究进入了一个新的高潮期,人们逐渐了解影响磁约束及造成能量损失的各种机理,摸索出克服这种不稳定性及能量损失的对策。随着核聚变研究的进展,人们对受控核聚变越来越有信心。

有合作也有各自为战

在半个多世纪的核聚变研究中,可以说人们对五花八门的设想都进行了原理性探索,最终汇集到大致沿着惯性约束和磁约束两种途径前进,其中,托卡马克类型的磁约束研究又领先于其它途径,在技术上最成熟,进展也最快。在托卡马克装置上努力提高能量增益因子,即提高输出功率与输入功率之比一直是核聚变研究的重点目标之一。直到1970年,前苏联在托卡马克装置T-3上,才有可以察觉到的核聚变能量输出,能量增益因子Q值为十亿分之一。从二十世纪七十年代末开始,美、欧、日、苏开始建造四个大型托卡马克,即美国的托卡马克聚变实验反应器TFTR,欧洲建在英国的欧洲联合环JET,日本的JT-60和原苏联的T-20(后来因经费及技术原因改为较小的T-15,采用超导磁体),它们是后来在磁约束聚变研究中做出了决定性贡献的四个装置。其中,有的反应器把能量增益因子Q值提高到0.2,比十年前增加了两亿倍。

在和平利用核聚变的不懈探索中,理论研究和实验技术上遇到了一个又一个难题,进一步开展广泛国际合作是加速实现核聚变能利用的明智选择。1985年,美国里根总统和前苏联戈尔巴乔夫总统,在一次首脑会议上倡议开展一个核聚变研究的国际合作计划,要求“在核聚变能方面进行最广泛的切实可行的国际合作”。后来戈尔巴乔夫、里根和法国总统密特朗又进行了几次高层会晤,支持在国际原子能机构(IAEA)主持下,进行国际热核实验堆(ITER)概念设计和辅助研究开发方面的合作。这是当时也是当前开展核聚变研究的最重大的国际科学和技术合作工程项目。1987年春,IAEA总干事邀请欧共体、日本、美国和加拿大、前苏联的代表在维也纳开会,讨论加强核聚变研
究的国际合作问题,并达成了协议,四方合作设计建造国际热核实验堆。

国际热核实验堆是一个基于托卡马克方案的项目,主要目的是实现氘-氚燃料点火并持续燃烧,最终实现氘-氚燃料的稳定燃烧;证明利用核聚变发电是安全的,也不污染环境;另外也进行核聚变工艺技术一体化实验。由于氘-氚燃料点火的需要,这个实验堆要建得相当大,当时设定的指标是,环形管的大环半径8米,管的半径3米,估计将产生热功率150万千瓦、等离子体电流达2400万安培,燃烧时间可达16分钟,预计2010年建成,计划投资达80亿美元。未来发展计划包括一座原型聚变堆,在2025年前投入运行。如果ITER获得成功,下一个目标是建造一座示范核聚变堆,并在2040年前投入运行。2050年以后有望开发商用核聚变堆。

[幽灵多啦注] 氘-氚聚变对环境还是有一定污染的。氘-氚聚变反映,产物是氦4(4He)和中子,并且中子带走大部分能量。这非常不好。首先,中子不带电,所以不受磁场约束,于是反应的大部分能量都不能被约束而损失了。其次,不受约束的中子飞出真空室,打在外围的实验装置上,容易产生半衰期很长的放射性元素,对环境造成长期污染。目前一方面在寻找被中子轰击后不容易产生长效放射性元素的材料,用于做真空室的墙壁屏蔽中子。另一方面,使用氦3(3He)做聚变材料,将不产生中子。但是地球上没有天然的氦3,但现在认为月球上有很多,所以将来有可能要从月球开发核聚变燃料。

在国际原子能机构的支持下,合作四方在1988年-1990年期间完成了国际热核试验堆的概念设计,1991年转入工程设计阶段。国际热核实验堆计划的经费由四方负担,但随着前苏联的解体,合作四方中的苏方由俄罗斯接替,这一计划的进展受到了很大影响。

美、欧、日、俄在参与ITER工作同时,还安排了自己的核聚变研究。欧共体在进行自己的实验堆JET的设计和执行法国的Tore-Supra计划,美国利用大型托卡马克聚变试验反应器DIII-D及TFTR,日本利用JT-60和JT-60U聚变试验反应器,都深入开展了各自的实验研究。此外,在其他一些国家,如印度、巴西、伊朗、韩国等都有自己核聚变研究计划,也力争在核聚变开发研究中占有一定的位置。目前全世界已有30多个国家及地区开展了核聚变研究,运行的托卡马克装置至少有几十个。

中国在1956年制定的“十二年科学规划”中决定开展核聚变研究,经过不懈努力,到二十世纪八十年代,建成了中国环流器一号HL-1以及HT-6B、HT-6M等一批有影响的聚变研究实验装置。进入九十年代,又把 HL-1改建成中国环流新一号HL-1M,其参数达到国际上同类型同规模装置的先进水平。随着第一个超导托卡马克HT-7实验装置的建成,中国成为继俄、法、日之后第四个拥有超导托卡马克装置的国家,为在核聚变研究领域进入世界前沿打下了坚实的基础。

[幽灵多啦注] HT-7位于合肥的科学岛(HT是Hefei Tokamak的缩写),是前苏联无偿赠送给中国的。

鼓舞人心的成果

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ITER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3亿至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倍,能量增益因子Q值达0.28。与JET相比, Q值又得到很大提高。

1997年9月22日,联合欧洲环JET又创造输出功率为1.29万千瓦的世界纪录,能量增益因子Q值达0.60,持续时间2秒。仅过了39天,输出功率又提高到1.61万千瓦,Q值达到0.65。

1997年12月,日本方面宣布,在JT-60上成功进行了氘-氘反应实验,换算到氘-氚反应,Q值可以达到1.00。后来,Q值又超过了1.25。在JT-60U上,还达到了更高的等效能量增益因子,大于1.3,它也是从氘-氘实验得出的结果外推后算出的。

2002年3月,日本在托卡马克型热核聚变基础实验装置“TRIAM-IM”上使用高频电流产生出了热核聚变所需要的高温等离子体电流,国际热核聚变实验堆原先就计划把取消变压器作为研究课题之一,而这一研究成果为简化热核聚变反应堆的设计提供了可能,并可降低建设成本。

另外,超导技术成功地应用于产生托卡马克强磁场的线圈,建成了超导托卡马克,使得磁约束位形的连续稳态运行成为现实,这是受控核聚变研究的一个重大突破。超导托卡马克是公认的探索、解决未来具有超导堆芯的聚变反应堆工程及物理问题的最有效的途径。2002年初,中国HT-7超导托卡马克实现了放电脉冲长度大于100倍能量约束时间、电子温度2000万摄氏度的高约束稳态运行,中心密度大于每立方米1.2×1019。目前,全世界仅有俄、日、法、中四国拥有超导托卡马克。法国的超导托卡马克Tore-Supra体积是HT-7的17.5倍,它是世界上第一个真正实现高参数准稳态运行的装置,在
放电时间长达120秒条件下,等离子体温度为2000万摄氏度,中心密度每立方米1.5×1019,放电时间是热能约束时间的数百倍。

这些实验表明,磁约束核聚变研究已进入真正的氘-氚燃烧试验阶段。而且,国际核聚变研究将由验证核聚变科学可行性的基础研究转向以证实工程可行性为主的聚变工程技术研究。

各国在红红火火地开展受控核聚变的同时,ITER却遇到挫折。美国于1998年7月宣布退出国际热核实验反应堆计划。几年来,美国对核聚变研究的财政拨款一直维持在2亿多美元,这是维持美国核聚变研究所需资金的下限。国际热核实验反应堆计划的预算投资巨大,要求美国追加经费,这一议案遭到美国纳税人的拒绝,未获国会通过。1996年1月,美国聚变能顾问委员会(FEAC)按照美国国会的指导方针和预算的现实情况制定了“重建的聚变能科学计划”,即把核聚变研究从围绕国际热核实验反应堆的技术研究转到基础科学研究上来。美国虽然退出了ITER计划,但是,又不甘心被甩在外面,仍设法派观察员参加反应堆计划会议。

美国退出以后,俄罗斯虽十分支持ITER,但没有经济实力,显得力不从心,只有欧共体和日本全力支持。实际上,日本和欧共体国家现已成为支持国际磁约束聚变研究规划的主体力量。原因是欧洲,尤其是日本,都缺乏能源资源,迫切需要开发新能源。

新进展带来新希望

经过九年的努力,2001年6月终于圆满完成了国际热核聚变试验反应堆工程的设计活动。新的设计调整了最初的工程投资和建造规模,计划投资减少到32亿美元,环形管的大环半径缩小到6米,管道半径缩小到2.15米,参数降低为等离子体电流2200万安培,燃烧时间7分钟。2001年11月,为共同实施国际热核聚变试验反应堆,参加四方在加拿大召开了政府间第一次磋商会。2002年1月23日在东京召开了第二次政府间磋商会,讨论了协议草案、选址程序、急需采购的设备及采购计划,以及实施的过渡安排等,另外,还确定了国际热核聚变试验反应堆实施的法人实体。

到目前为止,法国和加拿大政府都已表示愿意把国际热核聚变实验反应堆建在自己国家。日本经过几年的考虑和讨论,也决定力争把国际热核聚变实验反应堆建在日本国内,并且把北海道的苫小牧、青森县的六所村和茨城县的那珂町三处作为候选地点。日本甚至表示,如果装置建在日本,日本愿意出70%的经费。现在的参加四方都希望美国能重新加入ITER计划。

欧共体、日本、加拿大、俄罗斯各参加方现在正酝酿共同实现ITER的建造,他们正在进行与厂址有关的技术设计工作。厂址和资金分配问题确定以后,ITER的建造就可以马上确定,如果决定建造的话,开工时间为2006年。ITER的建造周期需要十年,预计可以运行二十年。

[幽灵多啦注] 这些信息有点旧了。其实ITER已经定址在法国卡达拉舍。并且在2003年,中国加入了ITER计划,而几乎同时,美国也重返ITER。可参考通往太阳的道路——国际热核实验反应堆(ITER)

从现代托卡马克装置研究到ITER的研制,是超常规的发展。如果成功,将可以使示范反应堆的建造提前,加快商业应用的步伐。但是,国际聚变界的一些专家,主要是一些美国学者,对这种所谓“毕其功于一役”的做法持有不同意见。一种反对意见认为,走ITER这一大步的时机未到,因为有一些重要的物理和工程问题尚未解决,如偏滤器的排热、大破裂的防御、密度极限、长脉冲H-模的维持、中心区杂质积累等等;另一意见认为,ITER会影响对更多对全局具有重要影响的物理和工程项目的安排,使这些项目的研究推迟,包括先进约束模式的实验研究,等离子体控制工程的一些重大课题,防14MeV中子辐照材料研制以及聚变堆的最佳化设计的系列课题等。对于以上反对意见,占多数的建造支持者认为,以上问题中的大部分正是ITER想要解决的问题,但解决的唯一方法是在全尺寸反应堆上进行实验。如果改成先建造规模较小的、物理和工程目标较低的一个替代装置(美国曾提出类似建议,被ITER理事会拒绝),那将会把一些非常重要的课题滞留下来,例如在长脉冲条件下氘-氚燃烧的物理和相关工程问题,使下一代装置的建造产生不确定性,其结果是推迟聚变能的应用时间。

实现核聚变和平利用无疑是人类将最终解决能源问题的希望。人类探索核聚变这种新能源的努力将会继续下去,世界各国的总投入仍将上升,探索的步伐也将加快,这是人类面临的共同的能源总体需求所确定的。今后几十年内,我们如果解决核聚变反应堆的物理工程问题,让第一个核聚变反应堆发出的强大电能输入电网,一个崭新的和平利用核能的新世纪即可宣布开始了。

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最后修改:Wen 于 2009-09-10 21:56:21

发表于 2006-04-23 13:00:31
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