核聚变调研演讲稿

第一篇：核聚变调研演讲稿

各位同学大家好，我是302班第5组，吴旻剑。我们组的调研题目是核聚变发展和前景展望，这是我们的组员和所承担的工作，今天我的报告内容主要有三部分，也就是核聚变实现的主要三种方式，惯性约束核聚变，磁约束核聚变以及冷核聚变。其中前两个是目前的主流方式，也是广为接受的两种方式，本次调研主要是对这几种方式进行简单的了解。

首先是惯性约束核聚变，主要分为直接驱动和间接驱动两种方式，其中直接驱动主要分为三种，激光或离子束直接轰击、超高速碰撞、聚爆套筒。

首先是激光或离子束直接轰击，利用激光或者高能粒子束直接轰击靶丸，使其产生瞬间高温高压，而反冲又让靶丸压缩更加剧烈，达到聚变点火条件。不过，这种方式要求激光能量较高，虽然现在也很可以达到那么高的条件了，但是还是不够稳定。最关键的是激光能量的时空对称性难以保持。

超高速碰撞原理就像用子弹打靶一样，加速一个超高速射弹，对靶子上的氘氚小球进行压缩，与激光点火原理类似，不过，这种方式主要问题是加速一个非微观粒子达到那么高的速度很难实现而且能否达到有效的单位压缩也是主要问题之一。

最后一种就是聚爆套筒，其实这也算是一种惯性约束和磁约束的联合方式，先在储存器迅速注入高压氮气，迅速达到聚变条件，并给等离子体通上电流，利用其自身产生的切向磁场约束住自身。不过这个过程产生的等离子体的不稳定性等问题尚未解决，尚处于研究阶段。

间接驱动其实主要就是对激光直接驱动的一个改进，通过黑腔转化激光成较均匀的软Χ射线，间接驱动靶发生核聚变，可较好地解决直接驱动的激光能量不对称的问题。

接下来就是磁约束聚变，按照时间来介绍，先后出现了反场箍缩、仿星器型装置、磁镜、托卡马克四种主要的装置。

箍缩就是给等离子体加强大电流，使其自身产生的磁场约束住自己。与聚爆套筒的约束部分原理相同，用其自身电流产生的磁场约束住自己。但是由于箍缩时间太短，一度被放弃，但是由于其不许辅助加热的优点，仍在研究。

仿星器型装置其实就是用外磁场约束等离子体，由于等离子体的轴向运动，需设计成闭合形式，但是又会造成磁场的不对称性，故设计成“8”字形，约束和加热压缩等离子体困难，但优点是磁场位形全由外部线圈控制,无需等离子体电流，所以仍有研究。

磁镜是用中间弱两端强的磁场约束等离子体使其不断反射但无法逃脱磁场区域。等离子体在磁场里面不断反射，无法逃出，达到约束的效果，但是简单磁镜宏观稳定性不好，现在还有研究改进版磁镜的。

最后就是大家最熟悉的托卡马克了，是箍缩和仿星器的结合，也是目前最接近成功的装置，主要就是用外磁场约束等离子体，同时也用磁场为等离子体加速并且进行定位。我就不多介绍了。

接下来，介绍一下一度被称为伪科学，现在又被重新提起的冷核聚变。主要发展过程中出现了这四种储氢聚变、μ子催化聚变、气泡聚变、超声波聚变，当然，还有12年最新报道的镍氢聚变，大家可以自己百度一下，E-CAT装置。

储氢聚变是冷核聚变最早提出的实验解释，用钯这种吸氢材料对重水进行电解，产生超热，被认为发生了核聚变，不过由于实验重复性不好，被认为是伪科学。

接下来冷核聚变的第二个高潮，得到美国政府支持的μ子催化聚变实验，利用质量较大的轻子（如μ子）代替电子与氘原子核结合成μ氘原子，提高反应概率，降低反应条件。可是由于产生核聚变次数太少，消耗能源远大于产生，不适合作为商用发展，被废弃了。

气泡聚变原理是用中子脉冲使液体产生微型气泡，发生爆裂的同时产生几千度高温和局部的高压，达到核聚变条件。不过尚未被证实，相关专利也已有申请。我在2012年的《大科技》杂志上看到过热效率大于百分之百的加热器，也是气泡聚变的一个实例，大家也可以去看一下。最后是超声波聚变，都说在商业化中，但是尚未有任何相关原理介绍，我们组在调查过程中发现的声波加热器可能是超声波聚变的实例之一，基于此我们猜测由超声波产生驻波，形成真空，继而产生卡西米尔效应，加剧能量积聚，发生微型核聚变反应。

最后是结果分析，主要由MCF和ICF 优缺点对比、冷核聚变发展趋势、和我们关于核聚变的一点思考。

磁约束核聚变也就是MCF，优点很明显，约束时间较长，但是缺点也很多，造价和不稳定性以及连续运行的困难。而ICF主要优点就是聚变相对容易达到，但约束时间和连续运行仍有问题。

接下来，是冷核聚变的发展趋势，从提出时被认定为伪科学，到能都很好的重复实验，但没有合理理论，仍受主流科学界排斥，再到近年的种种实验和专利等的实现，使得冷核聚变再次回到各大科学会议的议程之内。

最后是关于核聚变的一点思考，根据核聚变的条件，核聚变其实就是让轻核的原子核穿越库仑势垒，相互结合的过程。所以，提高原子核能量或者降低库仑势垒就是实现核聚变的两种主要方式，根据势垒贯穿理论，透射系数与势垒和原子核能量的差成指数比。所以，高温当然可以实现，也有论文说利用卡西米尔效应实现冷核聚变，类比这样的想法，我们组有个利用零点能实现核聚变的想法，根据不确定关系，微观粒子固定时有极大的动量，也可能是实现核聚变的条件。

当然，实际上我们也可以看出，现在所说的冷核聚变，实际上只是在微观层面上实现粒子高能量，可以说不是真正的冷核聚变，不过，能够宏观条件的降低也是很好的。当然，如果可以降低库仑势垒当然更好，不过，这也已经是我们以后努力的方向了。相信聚变会离我们越来越近的。

等离子体(plasma)又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，尺度大于德拜长度的宏观电中性电离气体，其运动主要受电磁力支配，并表现出显著的集体行为。它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。（正负离子都是可自由移动的）

德拜长度(Debye length)等离子体中任一电荷的电场所能作用的距离。瑞利泰勒不稳定性，由于热的等离子体在磁场中会出现抗磁性漂移，因此在等离子体与真空的边界上出现扰动时，在扰动的波峰波谷之间会出现电荷的积累。

波长大于1A 的X射线，即光子能量相对较低的X射线。

第二篇：19.7高三物理核聚变教案

19．7 核聚变

★新课标要求

（一）知识与技能

1．了解聚变反应的特点及其条件.2．了解可控热核反应及其研究和发展.3．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

通过让学生自己阅读课本，培养他们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．通过学习，使学生进一步认识导科学技术的重要性，更加热爱科学、勇于献身科学。

2．认识核能的和平利用能为人类造福，但若用于战争目的将给人类带来灾难，希望同学们努力学习，为人类早日和平利用核聚变能而作出自己的努力。

★教学重点 聚变核反应的特点。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

（一）引入新课

教师：1967年6月17日，我国第一颗氢弹爆炸成功。从第一颗原子弹爆炸成功到第一颗氢弹爆炸成功，我国仅用了两年零八个月。前苏联用了四年，美国用了7年。氢弹爆炸释放核能是通过轻核的聚变来实现的。这节课我们就来研究聚变的问题.学生：学生认真仔细地听课

点评：通过介绍我国第一氢弹爆炸，激发同学们的爱国热情。

（二）进行新课 1．聚变及其条件

提问：请同学们阅读课本第一段，回答什么叫轻核的聚变？ 学生仔细阅读课文

学生回答：两个轻核结合成质量较大的核，这样的反应叫做聚变。投影材料一：核聚变发展的历史进程

［1］

提问：请同学们再看看比结合能曲线（图19.5-3），想一想为什么轻核的聚变反应能够比重核的裂变反

应释放更多的核能？

让学生了解聚变的发展历史进程。学生思考并分组讨论、归纳总结。

学生回答：因为较轻的原子核比较重的原子核核子的平均质量更大，聚变成质量较大的原子核能产生更多的质量亏损，所以平均每个核子释放的能量就更大

点评：学生阅读课本，回答问题，有助于培养学生的自学能力。教师归纳补充：（1）氢的聚变反应：

222

311H+1H→1He+1H+4 MeV、3411H+1H→2He+0n+17.6 MeV（2）释放能量：ΔE＝Δmc2＝17.6 MeV，平均每个核子释放能量3 MeV以上，约为裂变反应释放能量的3～4倍

提问：请同学们试从微观和宏观两个角度说明核聚变发生的条件？ 学生阅读教材，分析思考、归纳总结并分组讨论。得出结论

微观上：参与反应的原子核必须接近到原子核大小的尺寸范围，即10-15 m，要使原子核接近到这种程度，必须使它们具有很大的动能以克服原子核之间巨大的库仑斥力。

宏观上：要使原子核具有如此大的动能，就要把它加热到几百万摄氏度的高温。点评：从宏观和微观两个角度来考虑核聚变的条件，有助于加深理解。

教师说强调：聚变反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以维持反应持续进行下去，在短时间释放巨大的能量，这就是聚变引起的核爆炸。

教师补充说明：

（1）热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳和很多恒星的内部温度高达107 K以上，因而在那里进行着激烈的热核反应，不断向外界释放着巨大的能量。太阳每秒释放的能量约为3.8×1026 J，地球只接受了其中的二十亿分之一。太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减轻。它每秒有７亿吨原子核参与碰撞，转化为能量的物质是400万吨。科学家估计，太阳的这种“核燃烧”还能维持90亿~100亿年。当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！

教师：希望同学们课后查阅资料，了解更多的太阳能有关方面的知识及其应用。

（2）上世纪四十年代，人们利用核聚变反应制成了用于战争的氢弹，氢弹是利用热核反应制造的一种在规模杀伤武器，在其中进行的是不可控热核反应，它的威力是原子弹的十几倍。

提问：氢弹爆炸原理是什么？

学生阅读教材：课本图19.7-1是氢弹原理图，它需要用原子炸药来引爆，以获得热核反应所需要的高温，而这些原子炸药又要用普通炸药来点燃。

［教师点拨］

［录像］氢弹的构造简介及其爆炸情况。

根据你收集的资料，还能通过什么方法实现核聚变？

学生回答：日英开发出激光核聚变新方法、有人提出利用电解重水的方法实现低温核聚变。点评：学生自学看书，自己归纳总结，有助于培养学生分析问题、解决问题的能力，逐步提高学生的归纳总结能力。2．可控热核反应

（1）聚变与裂变相比有很多优点

提问：目前，人们还不能控制核聚变的速度，但科学家们正在努力研究和尝试可控热核反应，以使核聚变造福于人类。我国在这方面的研究和实验也处于世界领先水平。请同学们自学教材，了解聚变与裂变相比有哪些优点？

投影材料二[2]：可控热核反应发展进程

例：一个氘核和一个氚核发生聚变，其核反应方程是21H+31H→42He+10n，其中氘核的质量：mD=2.014 102 u、氚核的质量：mT=3.016 050 u、氦核的质量：mα=4.002 603 u、中子的质量：mn=1.008 665 u、1u=1.660 6×10-27kg，e = 1.602 2×10-19C，请同学们求出该核反应所释放出来的能量。

学生计算：

根据质能方程，释放出的能量为：

0.01861.66061027(3108)2Emc(mDmTmmn)ceV17.6MeV

1.6022101922教师点拔：平均每个核子放出的能量约为3.3MeV，而铀核裂变时平均每个核子释放的能量约为1MeV。总结：聚变与裂变相比，这是优点之一，即轻核聚变产能效率高。

教师点拔：常见的聚变反应：21H+21H→31He+11H+4MeV、21H+31H→42He+10n+17.6 MeV。在这两个反应中，前一反应的材料是氘，后一反应的材料是氘和氚，而氚又是前一反应的产物，所以氘是实现这两个反应的原始材料，而氘是重水的组成部分，在覆盖地球表面三分之二的海水中是取之不尽的。从这个意义上讲，轻核聚变是能源危机的终结者。

总结：聚变与裂变相比，这是优点之二，即地球上聚变燃料的储量丰富。如1L海水中大约有0.03g氘，如果发生聚变，放出的能量相当于燃烧300L汽油。

聚变与裂变相比，优点之三，是轻核聚变反应更为安全、清洁。

实现核聚变需要高温，一旦出现故障，高温不能维持，反应就自动终止了。另外，氘和氚聚就反应中产生的氦是没有放射性的，放射性废物主要是泄漏的氚以及聚变时高速中子、质子与其他物质反应而生成的放射性物质，比裂就所生成的废物的数量少，容易处理。

（2）我国在可控热核反应方面的研究和实验发展情况。

EAST全超导托卡马克实验装置以探索无限而清洁的核聚变能源为目标，这个装置也被通称为“人造太阳”，能够像太阳一样给人类提供无限清洁的能源。目前，由中科院等离子体物理研究所设计制造的EAST全超导非圆截面托卡马克实验装置大部件已安装完毕，进入抽真空降温试验阶段。我国的科学家就率先建成了世界上第一个全超导核聚变“人造太阳”实验装置，模拟太阳产生能量。

点评：通过了解我国在可控热核反应方面的成就，激发学生的爱国热情和献身科学的能力。

（三）课堂小结

本节主要研究了聚变核反应的特点和条件，聚变反应要比裂变反应释放更多的能量，但它发生的条件是要达到几百万度的高温，因而聚变反应也叫热核反应.可控热核反应的研究和实验将为人类和平利用核能开发新的途径。

（四）作业：

完成课后练习★教学体会

本节课虽然教学要求不高，但却是开展中学科技教育活动的生动内容。然而课本的编写，却限于篇幅等因素的影响，存在正如爱因斯坦所说的问题：“科学结论几乎是以完成的形式出现在读者面前，读者学生体验不到探索和发现的喜悦，感觉不到思想形成的生动过程也很难达到清楚地解释全部过程。”

在课堂教学过程中，结合内容的讲授，以史为鉴，虽着墨不多，却寓意深远，本材料正是以此为设计思想的：沿着科学家的足迹，剖析科学家的思维，领略科学家的创造；激发同学们的兴趣，培养同学们的能力，陶冶同学们的情操。

附：

[1]投影材料一 时间 人物 事件

指出：中等大小的原子核结合最紧密，核裂变或轻核聚变都会放出能量，核聚变放出的能量比裂变大许多

猜测：太阳的能量来自亚原子粒子的相互作用

指出：太阳总体积具有2000万度的高温和极高的密度。

指出：太阳总体积的60％是氢气，如果太阳的能量真是依靠核反应的话，那么这种核反应只能是氢气的聚变。

证明：太阳的能量确实是靠氢气的聚变来维持的。20年代 阿斯顿

1920年 1926年 爱丁顿 爱丁顿

1929年 罗素

1938年 贝 特

[2]投影材料二 事件 1933年 1934年 1942年 1944年 人物 科学家们 卢瑟福 特勒 费米 事件

在实验室中首次观测到核聚变就是氘的聚变

用氘核去轰击氘靶产生了氚，发现氚聚变温度比氘更低。在探索制造原子弹的各种途径的讨论中提出了一个可怕的问题。用氢的同位素氖和氛做燃料，只需五千万度就可以发生核聚变。

原子弹研制成功后，人们立即觉察到，可以利用裂变反应所产生的超高温来实现核聚变反应，这就是氢弹的原理。1945年

美国

第三篇：可控核聚变科学技术前沿问题和进展

可控核聚变科学技术前沿问题和进展

张浩然

物理与材料科学学院 15级应用物理学 B31514024

摘要：可控核聚变能源是未来理想的清洁能源。国际磁约束聚变界近期研究的焦点是国际热核聚变实验堆（ITER）项目。本文介绍了 ITER 计划的科学目标和工程技术目标中的前沿问题，提出了我国磁约束聚变近期、中期和远期技术目标，制定了中国磁约束聚变发展路线图。

关键词：国际热核聚变实验堆；中国聚变工程实验堆；ITER

一、前言

可控核聚变能源是未来理想的清洁能源。在磁约束聚变领域，托卡马克研究目前处于领先地位。我国正式参加了国际热核聚变实验堆（ITER）项目的建设和研究，同时正在自主设计研发中国聚变工程试验堆（CFETR）。在惯性约束领域，Z 箍缩作为能源更具潜力，有可能发展成具有竞争力的聚变 – 裂变混合能源。本文重点介绍了磁约束聚变的前沿问题等。

二、磁约束聚变前沿问题

（一）磁约束聚变的研究意义和现状

磁约束聚变是利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，使等离子体受控制地发生大量的原子核聚变反应，释放出能量。磁约束聚变通过低密度长时间燃烧的方式实现氘、氚等离子体的自持燃烧，并将这种燃烧维持下去。世界上的磁约束聚变装置主要有托卡马克、仿星器、磁镜三种类型，其中托卡马克最容易接近聚变条件而且发展最快。目前，磁约束聚变已经取得重大进展，我国正式参加了 ITER 项目的建设和研究；同时作为 ITER 装置与聚变示范堆（DEMO）之间的桥梁，我国正在自主设计、研发 CFETR 项目 [1]。这些措施将使我国的磁约束聚变研究水平位于国际前列。

（二）磁约束聚变的前沿问题

磁约束聚变的研究开发不仅耗资巨大，而且在科学和技术上充满了挑战，以至于在经历了40多年的较具规模的国际聚变研究之后，直到20世纪90年代才基本获得可以建造磁约束聚变实验堆的必要知识和技术。磁约束聚变还处于探索阶段，存在很多物理和工程技术方面的问题需要解决。目前，国际磁约束聚变界的主要研究内容是与 ITER装置相关的各类物理与技术问题 [2]。ITER 装置设计总聚变功率达到 5×105 k W，是一个电站规模的实验反应堆。它的作用和任务是利用具有电站规模的实验堆证明氘、氚等离子体的受控点火和持续燃烧，验证聚变反应堆系统的工程可行性，综合测试聚变发电所需的高热流和核部件，实现稳态运行，从而为建造聚变能示范电站奠定坚实的科学基础和必要的技术基础。ITER 计划的科学目标具体包括：

①集成验证先进托卡马克运行模式；②验证“稳态燃烧等离子”体物理过程；③聚变阿尔法粒子物理；④燃烧等离子体控制；⑤新参数范围内的约束定标关系；⑥加料和排灰技术。

ITER 装置运行第一阶段的主要目标是建设一个氘、氚燃烧能产生5×105k W 聚变功率聚变增益系数 Q=

10、脉冲维持大于 400 s 的托卡马克聚变堆。在 ITER 装置中将产生与未来商用聚变反应堆相近的氘、氚燃烧等离子体，供科学家和工程师研究其性质和控制方法，这是实现聚变能必经的关键一步。ITER 装置运行的第二阶段将探索实现稳态高约束的高性能燃烧等离子体，聚变增益系数Q=

5、脉冲维持大于 3 000 s。这种稳态高性能的“先进燃烧等离子体”是建造托卡马克型商用聚变堆所必需的。ITER 计划在后期还将探索实现高增益的燃烧等离子体。ITER 计划科学目标的实现将为商用聚变堆的建造奠定可靠的科学和工程技术基础。

此外，ITER 计划的工程技术目标是通过创造和维持氘、氚燃烧等离子体，检验和实现各种聚变技术的集成，并进一步研究和发展能直接用于商用聚变堆的相关技术。上述工作是设计与建造商用聚变堆之前所必须的，而且只能在 ITER 装置上开展。ITER 计划在工程技术方面部分验证的聚变堆的工程技术问题包括以下几个。（1）堆级磁体及其相关的供电与控制技术研究；

（2）稳态燃烧等离子体（产生、维持与控制）技术，即无感应电流驱动技术、堆级高功率辅助加热技术、堆级等离子体诊断技术、等离子体位形控制技术、加料与除灰技术的研究；（3）初步开展高热负荷材料试验；

（4）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；

（5）低活化结构材料试验（TBM），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；

（6）热室技术，堆芯部件远距离控制、操作、更换及维修技术研究。

ITER 将集成当今国际受控磁约束核聚变研究的主要科学和技术成果，第一次在地球上实现能与未来实用聚变堆规模相比拟的受控热核聚变实验堆，解决通向聚变电站的关键问题。

ITER 计划的成功实施，将全面验证聚变能源开发利用的科学可行性和工程可行性，是人类受控热核聚变研究走向实用的关键一步。

（三）我国磁约束聚变研究的技术目标和发展规划

我国核聚变能研究开始于 20 世纪 60 年代初，尽管经历了长时间非常困难的阶段，但始终能坚持稳定、渐进的发展。从 20 世纪 70 年代开始，我国集中选择了托卡马克为主要研究途径，先后建成并运行了 CT-

6、KT-

5、HT-6B、HL-

1、HT-6M 托卡马克实验装置。目前，我国的托卡马克装置主要有华中科技大学的 J-TEXT 装置、核工业西南物理研究院的 HL-2M 装置和中国科学院等离子体物理研究所的 EAST 装置。在以上这些托卡马克装置的设计、研制和实验过程中，组建并锻炼了一批聚变工程师队伍，中国科学家在这些托卡马克装置上开展了一系列重要研究工作。我国未来聚变发展战略应瞄准国际前沿，广泛利用国际合作，夯实我国磁约束核聚变能源开发研究的坚实基础，加速人才培养，以现有中、大型托卡马克装置为依托，开展国际核聚变前沿课题研究，建成知名的磁约束聚变等离子体实验基地，探索未来稳定、高效、安全、实用的聚变工程堆的物理和工程技术基础问题。我国磁约束聚变的近期、中期和远期技术目标如下[3]。

（1）近期目标（2015—2021 年）：建立近堆芯级稳态等离子体实验平台，吸收消化、发展与储备聚变工程实验堆关键技术，设计、预研聚变工程实验堆关键部件等；

（2）中期目标（2021—2035 年）：建设、运行聚变工程实验堆，开展稳态、高效、安全聚变堆科学研究；

（3）远期目标（2035—2050 年）：发展聚变电站，探索聚变商用电站的工程、安全、经济性。

为了尽早地实现可控聚变核能的商业化，充分利用我国现有的托卡马克装置和资源，制定了一套完整的符合我国国情的中国磁约束聚变（MCF）发展路线示意图。

未来十年，重点在国内磁约束的两个主力装置（EAST、HL-2M）上开展高水平的实验研究。EAST 装置目前基本完成了升级，研究能力和实验条件有了大幅度的提高，可以开展大量的针对未来ITER 装置和下一代聚变工程堆稳态高性能等离子体研究，实现磁场稳定运行在 3.5 T、等离子体电流 1.0 MA，获得 400 s 稳定、可重复的高参数近堆芯等离子体的科学目标，成为能为 ITER 装置提供重要数据库的国际大规模先进试验平台。结合全超导托卡马克新的特性，探索和实现两到三种适合于稳态条件的先进托卡马克运行模式，稳态等离子体 性能处于国际领先水平。在此阶段，将重点发展专门的物理诊断系统，特别是对深入理解等离子体稳定性、输运、快粒子等密切相关的物理诊断。在深入理解物理机制的基础上，发展对等离子体剖面参数和不稳定性的实时控制理论和技术，探索稳态条件下的先进托卡马克运行模式和手段。实现高功率密度下的适合未来反应堆运行的等离子体放电，为实现近堆芯稳态等离子体放电奠定科学和工程技术基础。同时需对装置内部结构进行升级改造，以满足稳态高功率下高参数等离子体放电的要求 [4]。

在未来几年内，HL-2M 装置将完成升级，具有良好的灵活性和可近性，进一步发展 20~25 MW 的总加热和电流驱动功率，着重发展高性能中性束注入（NBI）系统（8~10 MW）；增加电子回旋、低杂波的功率，新增 2 MW 电子回旋加热系统。利用独特的先进偏滤器位型，重点开展高功率条件下的边界等离子体物理，特别是探索未来示范堆高功率、高热负荷、强等离子体与材料相互作用条件下，粒子、热流、氦灰的有效排除方法和手段，与 EAST装置形成互补 [4]。

此外，在全面消化、吸收国际热核聚变实验堆设计及工程建设技术的基础上，以我为主开展CFETR 的详细工程设计及必要的关键部件预研，并结合以往的物理设计数据库，在我国的“东方超环”“中国环流器 2 号改进型”托卡马克装置上开展与 CFETR 装置物理相关的验证性实验，为CFETR 装置（大半径 R = 7.2 m，小半径 a = 2.2 m，中心环向磁场 Bt = 6.5T，拉长比 k = 2）的建设奠定坚实基础。在“十三五”后期，2021 年左右开始独立建设 2×105~1×106 k W 的聚变工程实验堆，在 2035 年前后建成 CFETR 装置。CFETR装置相较于目前在建的 ITER 装置，在科学问题上主要解决未来商用聚变示范堆必需的稳态燃烧等离子体的控制技术，氚的循环与自持，聚变能输出等 ITER 装置未涵盖内容；在工程技术与工艺上，重点研究聚变堆材料、聚变堆包层及聚变能发电等 ITER 装置上不能开展的工作；掌握并完善建设商用聚变示范堆所需的工程技术。CFETR 装置的建设不但能为我国进一步独立自主地开发和利用聚变能奠定坚实的科学技术与工程基础，而且使得我国率先利用聚变能发电、实现能源的跨越式发展成为可能 [4]。

三、结论和建议

聚变能源开发难度非常大，需要长期持续攻关。建议我国深入 ITER 国际合作计划，全面掌握聚变实验堆技术；积极推进 CFETR 主机关键部件研发，适时启动 CFETR 全面建设。

参考文献

[1] Wan Y X, Li J G, Liu Y, et al.Overview of the present progress and activities on the CFETR [J].Nuclear Fusion, 2017, 57(10): 102009.[2] Shimada M, Campbell D J, Mukhovatov V, et al.Progress in the ITER physics basis-chapter 1: Overview and summary [J].Nuclear Fusion, 2007, 157(21–22): 44.[3] 李建刚.我国超导托卡马克的现状及发展 [J].中国科学院院刊, 2007, 22(5): 404–410.Li J G.Present status and development of superconducting toka-mak research in China [J].Bulletin of Chinese Academy of Sci-ences, 2007, 22(5): 404–410.[4] 李建刚.托卡马克研究的现状及发展 [J].物理 , 2016, 45(2): 88–97.Li J G.The status and progress of tokamak research [J].Physics, 2016, 45(2): 88–97.个人总结

等离子体(Plasma)是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态，广泛存在于宇宙中，常被视为是物质的第四态，被称为等离子态，或者“超气态”，也称“电浆体”。等离子体具有很高的电导率，与电磁场存在极强的耦合作用。它是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质。等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间、空间物理、地球物理等科学的进一步发展提供了新的技术和工艺。

等离子体有着十分广泛的应用，如下：

(1)微电子器件的制造。用低气压高密度等离子体源进行等离子体刻蚀。(2)太阳能薄膜电池的制造，用PECVD沉积非晶硅、多晶硅薄膜，SiNx膜。(3)LCD，LED，OLED等显示设备的制造。(4)磁约束聚变。

(5)微机电系统(MEMS)，微流控，微传感器。(6)电推进。

(7)材料表面处理。

(8)磁控溅射真空镀膜。

(9)消毒、生物、医学领域，包括种子处理，人体组织（伤口）处理等。(10)空间等离子体。

(11)离子束源、中性束源。

等离子体物理学这门学科已经取得多方面的发展，相信在今后相当长的一段时间内依然会是物理学的一个十分活跃的分支学科。

第四篇：2000HT-7U超导托卡马克核聚变试验装置自查报告

“HT-7U超导托卡马克核聚变实验装置”自查报告

等离子体物理研究所

I、工艺、研制

国家“九五”重大科学工程“HT-7U超导托卡马克核聚变实验装置”，于一九九九年十月通过国家计委组织的初步设计论证。之后的一年时间内，在中国科学院的直接领导和支持下，等离子体物理研究所的科研人员紧张而有序地致力于“HT-7U超导托卡马克核聚变实验装置”的工程设计和前期的预研工作，攻克一个又一个技术难点，取得了重要进展。

一、工艺设计

“HT-7U超导托卡马克核聚变实验装置”包括一个具有非圆小截面的大型超导托卡马克实验装置和低温、真空、水冷、电源及控制、数据采集和处理、波加热、波驱动电流、诊断等子系统。其中超导托卡马克装置是本项目的核心。而超导托卡马克装置又包括超导纵场与极向场磁体系统、真空室、冷屏、外真空杜瓦及面对等离子体部件等部件。承担各部件设计的工程技术人员，在充分集思广益、充分发挥创新能力的基础上,借鉴国际上同类装置的经验,通过一丝不苟的努力工作，目前各项工作的进展呈良性循环---设计推动了预研工作的进行，预研工作的结果又使设计得到进一步优化。

1.超导磁系统。超导纵场与极向场磁系统是HT-7U超导托卡马克的关键部件，结构复杂、技术难点多、难度大、涉及的不确定因素多。科研人员经过一轮又一轮的设计、计算和分析，对多种方案进行比较、优化，目前超导导体的设计已进入最后的实验选型阶段；线圈的设计已完成试验线圈的设计与绕制及原型线圈的设计；低温下高强度线圈盒的设计已完成各种可能工况下的力学分析与计算、传热分析与计算、电磁分析计算以及线圈盒焊接时的温升对超导线圈性能影响的试验等工作；低温冷却回路的设计已完成热的分析与计算及冷却参数的优化；超导导体接头已完成多种方案的设计、研制与试验，并确定了最终的结构形式；超低温绝缘子的研究已完成最终的设计与试制，进入批量制造阶段；超导线圈的真空压力浸渍的工艺研究 在国内电绝缘的归口单位---桂林电科所及中科院北京低温中心的密切配合下已完成超低温绝缘胶的配方的研究，正在完成超低温绝缘胶真空压力浸渍的最终工艺试验。超导极向场的线圈位置优化和电流波形优化，使之既能满足双零和单零的偏滤器位形的要求，又能满足限制器位形的要求，目前这项工作经过反复的平衡计算与调试、比较，已经满足物理的要求，工程上线圈在装置上的位置以及线圈的截面形状均已确定。

2.真空室。真空室是直接盛装等离子体的容器，除了要为等离子体提供一个超高真空环境，要满足装置稳定运行时等离子体对电磁的要求以及为诊断等离子体的特性、等离子体加热、真空抽气、水冷及加料对窗口的要求、中子屏蔽的要求、还要满足面对等离子体部件定位和准直的要求。HT-7U真空室是双层全焊接结构，由于真空室离等离子体近，等离子体与真空室之间的电磁作用最直接，真空室上所受的电磁力最大，同时真空室要烘烤到250°C，因温度变化所产生的热变形大。设计人员考虑到以上这些因素，对真空室进行了所有可能工况下的多轮受力分析、电磁分析和传热计算，针对每一轮的计算结果对结构设计进行优化。目前已完成最新一轮满足各项要求的结构在各种工况下的静应力分析、模态分析、频率响应分析和地震响应分析，为设计的可靠性提供了充分的依据。真空室试验原型段的施工设计正在进行之中，真空室满足热胀冷缩要求的特殊支撑结构的试验平台正在制造过程中，真空室窗口所使用的各种异型波纹管的研制也在紧张的进行。

3.冷屏与外真空杜瓦。HT-7U的内外冷屏是超导磁体的热屏障，对维持超导磁体的正常运行发挥作重要作用。该部件的电磁分析、受力分析和传热分析的工作都已完成，对传热计算产生重要影响的表面辐射系数的测量已完成，目前该部件已进入工程设计的最后阶段，即将转入施工设计。外真空杜瓦是维持其内部的所有部件都处在基本无对流传热的真空环境中，因而是超导磁体与冷屏维持超低温的保证，同时也是其内部所有部件支撑的基础。该部件的力学分析和电磁分析已结束，施工设计已正式展开。

4.面对等离子体部件。面对等离子体部件直接朝向等离子体，其表面性质直接影响等离子体杂质的返流和气体再循环，等离子体的能量依靠面对等离子体部件的冷却系统输运到托卡马克外。面对等离子体部件相对等离子体 的位置的优化正与德国马普等离子体所合作，利用他们的程序进行计算，已得出初步结果；直接面对等离子体的石墨材料正与山西煤化所合作研究，开发参杂石墨与石墨表面的低溅射涂层，用于石墨材料各项性能试验的大功率电子枪和实验系统正在装修一新的实验室中调试；用于试验水冷结构和石墨性能的面对等离子体部件的试验件已组装到HT-7超导托卡马克的真空室中，在即将进行的一轮试验中进行各项指标的测试。

5.装置技术诊断。装置技术诊断包括温度测量、应力应变测量、失超保护和短路检测等部分。温度测量从4.5k的液氦温度到350°C面对等离子体部件的烘烤温度，要测的温度范围大，且要使用不同的方法。特别是超低温下的温度测量，其温度计的标定费用高，科研人员积极发挥创新的能力，自己开发了一套温度标定系统，且在该系统上进行了HT-7U所有低温温度计的标定。应力应变测量、短路检测和失超保护的探测及放大电路已设计并调试完毕，数据采集和处理的专用程序也已进入调试阶段。

6.低温系统。低温系统是HT-7U超导托卡马克装置的关键外围设备之一。它必须保障装置的超导纵场磁体和极向场磁体顺利地从室温降温至3.8-4.6K,并能长达数月保冷,维持超导纵场磁体正常励磁和极向场磁体快脉冲变化的所需的致冷量。HT-7U超导托卡马克装置的低温系统的2KW/4.4K工程设计已全面展开，部分外购设备已到货且已安装到位。新增两只100m3的中压储气罐已安装就序，新增100m3的低压气柜也一稳稳地安放在低温车间的一角，新建压机站的五台崭新的螺杆压机被整齐地安装在低温车间中间，一台氦气干燥器、一台吸附器和两台滤油器已安装完毕。原俄罗斯赠送的OPG 100/500二号制冷机的改造工作已经结束，德国FZK赠送的300W/1.8K制冷机的恢复施工即将开展。螺杆压机站的电控部分和气、水、油管线的施工正在紧张地进行。

7.其他子系统。高功率电源系统担负着向托卡马克提供不同规格的高功率电源，实现能量传输、功率转换、运行控制等重要任务。为等离子体的产生、约束、维持、加热，以及等离子体电流、位置、形状、分布和破裂的控制提供必要的工程基础和控制手段。HT-7U纵场电源与极向场电源已完成了系统的分析、计算和方案的比较、优化，目前正处在工程设计阶段。在设计过程中，科研人员本着保证性能、节约经费的原则，不仅在设计方案上结 合本所的具体情况作多种设计相结合的方法，而且充分利用本所的技术储备，积极发挥创新的能力，自行开发重要设备。极向场电源的关键设备，大容量晶闸管、直流高压开关和爆炸开关等目前只能以很高的价格进口，经我所科研人员的努力已完成单元技术试验，正在进行样机的试制。真空抽气系统为等离子体的稳定运行提供清洁的超高真空环境，为超导磁体正常运行提供真空绝热条件；充气系统则为真空室的壁处理和等离子体放电提供工作气体。真空抽气系统完成了总体布局设计，抽速和抽气时间计算;主泵、主阀、测量系统的选择和配备;完成抽气系统主泵和予抽泵16台合计58万元订货。真空抽充气系统的保护和控制已完成最终方案的设计。

低杂波电流驱动系统不断地给等离子体补充能量，是保证托卡马克实现长脉冲稳态运行的重要手段，而离子回旋共振加热则是另一重要手段。HT-7U3.5兆瓦的低杂波系统已完成技术方案的设计，完成了波功率和相位监控、波系统的保护及波源的低压电源的方案设计，准备先期建设的1MW波系统的高压电源及波系统天线的试验件正在制造过程中。离子回旋共振加热已完成波系统的总体设计，确定了4MW/30-110Mhz的波系统方案；完成了波源设计，并正在建造一台1MW，脉冲可达1000秒的射频波源，预计2001年中建成并调试；已完成天线的调配系统设计，并正进行加工前的台面试验。

总控与数据采集系统是对整个装置进行实时监测、控制与保护的分布式计算机网络系统。目前总控系统的安全巡检系统、中央控制系统、脉冲充气系统均已完成程序的设计，正在进行调试和预演；中央定时系统正在与国内相关单位合作研制，局域控制网正处于实施阶段。数据采集系统的VAX-CAMAC采集系统、PC-CAMAC采集系统、PC采集系统、VXI采集系统、分布式数据服务器、数据检索系统和数据采集管理系统均已完成程序设计，正在进行程序的调试和预演。

诊断测量系统是一双双监视等离子体的眼睛，给出等离子体在不同的时间和空间的品质特性。除了HT-7上准备移到HT-7U上的诊断测量设备外，作为托卡马克上的最重要的测量系统之一的电磁测量系统正在进行物理上的计算和磁探针、单匝环、Rogowski线圈、逆磁线圈、鞍形线圈等测量线圈的设计，由美国德克萨斯大学赠送的新型CO2激光器正在调试，它将用在HT-7U的远红外诊断上，其他诊断系统也在进行物理上的准备或设备上的准备。

二、预研与试制 ★ 超导磁系统的研制是HT-7U超导托卡马克最关键也是最长线的任务。作为超导磁体最基本的单元---超导股线，已从俄罗斯高能物理所购得，并对每根股线取样进行了性能测试。所购得的超导线委托俄罗斯电缆所绞缆。按我所设计人员提供的设计方案绞制的六个一级子缆的样品，已委托俄罗斯库尔恰托夫研究所进行了性能测试，并同时将六个同样的子缆拿回国内，在等离子体所的超导实验室做了同样的测试，以验证试验结果，增加设计方案选择的可靠性。目前双方的实验都已结束，将按照选择出来的设计方案，由俄罗斯电缆所进行全缆的绞制。全缆的样品将分别在俄罗斯电物理所和我所进行超导性能测试实验，以进一步证明导体设计方案的可靠性。★ 由俄罗斯电缆所绞制的超导电缆将运回等离子体所，制造成绕制超导线圈所用的CICC导体。用于制造单根长度为600米的CICC导体的穿管生产线，正在等离子体所紧张地施工，预计2000年底建成。在这条生产线上，长度600米的电缆将穿入600米材料为316LN不锈钢的圆管内，再经过缩管、压方，成为合乎要求的CICC导体。600米长的316LN不锈钢管是由单根10米长的管焊接而成，管与管之间的焊接试验，已在从美国进口的自动氩弧焊机上进行了多轮试验，焊缝达到设计的要求。316LN不锈钢管委托沈阳金属所制造，试制阶段已结束，目前正投入批量生产。★ 穿管生产线上下来的CICC导体，将经过无张力特种绕线机分别绕制成D形的纵场线圈和圆形的极向场线圈。这种特种绕线机已于九八年在等离子体所试制成功，并用原来委托西北有色金属研究院试制的CICC导体成功地绕制了一饼2/3的纵场线圈和一饼1/2的中心螺管线圈，其精度不仅好于设计指标，而且好于国际同行所做到的精度。目前第二台绕线机正在制造过程中，预计年底两台绕线机将在整洁干净的绕线车间待命。★ 绕制好的线圈经匝间和饼间绝缘处理后，再经真空压力浸渍，然后装入材料为316LN不锈钢，在低温下有高强度，经精密加工的线圈盒内。尺寸约为3.5x2.5米的D形线圈盒，要使其与线圈的配合面的加工精度达到0.1mm，必须在高精密的数控机床上加工。由国内数家厂家竟标的一台5米x3米的数控龙门铣床，已由武汉重型机床厂中标，于今年3月份投入生产，预计年底运往 等离子体所安装就位。★ 线圈与线圈盒组装在一起，便是超导纵场线圈的一个个装配单元。但是，无论是纵场线圈还是极向场线圈，在组装到装置上之前，都必须经过超导性能试验。用于超导线圈性能试验的φ3米x6米的试验杜瓦和实验所需的低温、真空、电源、技术诊断和数据采集系统等均已在等离子体所超导实验室安装到位。在这套设备上将进行CICC全缆性能测试和HT-7U的每一饼超导线圈的超导性能测试。

我们坚信在科学院的正确领导和大力支持下，经过等离子体所全体科研人员的共同努力，“HT-7U超导托卡马克核聚变实验装置”将以最快的进展速度建设成功，并达到予期目标。

(文中涉及到的设计图纸与实物照片见“工艺与研制图册”)

第五篇：调研报告演讲稿

尊敬的各位评委、老师，亲爱的同学们：

大家下午好，我是第八小组——“舟宇胜翼队”的吴玲莉，很高兴能代表我们队站在这里向大家展示 “舟宇胜翼队”这两周努力合作的成果。

我们该如何度过这四年，是浪费每一天还是不断充实自己；是把青春消耗在寝室里、电脑前，还是让青春在实践中绽放光彩？显然，兼职和志愿者是我们最好的选择。然而大学生是该选择做兼职，在大学里赚自己的第一桶金？还是选择奉献自己的一份力量，做一名无私的志愿者？下面就请跟着我们的步伐来看看大学生们的真实想法吧。

在这次调研中，作为一个团体，我们各自有着自己明确的分工，虽然我们关注着不同的工作，但是我们心中有着共同的目标，那就是向大家交出一份令人满意的调研报告。晚自习后我们围在一起，分享自己对课题的想法；我们认真倾听，完善内心调研过程的计划；我们积极讨论，表达自己对调研方法的意见；我们认真记录，留下每一个成员奉献的足迹。我们珍惜每一次讨论的时刻，因为每一次我们都可以了解自己的队友多一点；我们记录每一次相聚的时间，因为我们是一个集体，我们有着共同的目标。

就这样，我们有条不稳地进行调研，我们踏踏实实地完成每一项任务，我们珍惜每一分每一秒。我们要让大学生更多的了解做兼职和做志愿者的特点。我们经过课题选择、任务分配，再到筹备工作、开始调研，最后顺利完成数据统计和结果分析。我们采访勤工助学管理中心和志愿者服务中心的相关负责人，我们认真设计每一个采访问题，我们志在为同学们解开选择做兼职，还是做志愿者的困惑。

当然我们也有遇到困难的时候，由于时间问题和资金问题，我们不得不放弃原来的问卷调查的形式，虽然我们的队员为了这份调查问卷花了好多心思，也花了好多时间，虽然我们也在为不能进行更广更全面的调查感到惋惜，但是我们并没有因此而气馁，我们相信我们一定能用更好的方法完成我们的目标。

终于，我们的努力没有白费，经过调查，我们发现做兼职的大学生中大一学生占70%，远远超过其他年级的学生。他们或是选择做家教，将知识传播给他人；或是选择当促销员，拉动经济需求；或是选择发传单，在获得收益的同时也锻炼自己的胆量。这些学生都认真完成自己的工作并及时拿到了自己应有的报酬，但是只是作为将要步入社会的大学生，工资待遇自然不是很好，但是这依旧挡不住一些想要锻炼自己、自食其力的学生。

而在当志愿者方面，男生和女生有着同样高的热情，大一的学生依旧是志愿者的中流砥柱。他们或是选择为身边的同学细心服务，或是选择给大自然一个新面貌，或是选择为孤寡老人送去丝丝温暖。做志愿者是忙绿的，是需要一颗无私的心的，但同时做志愿着又能看到你自身的价值，那份独特的快乐是任何事情也代替不了的。

现在的我们了解了做兼职的人数、比重，我们知道了勤管中心的尽职尽责，我们明白做兼职可以积累工作经验并丰富大学生活，虽然大家关注的大多是工资问题，但是作为一个即将踏入社会的大学生，我们还是应该注重自我的发展。

而作为一个志愿者，我们不仅可以提升自己的交流能力与沟通能力，还可以发扬无私奉献的精神，赠人玫瑰，手有余香，做一个快乐的志愿者，做一个有奉献精神的人。

大学为我们提供了一个大的舞台，让我们可以更好的了解自己，了解社会，让我们可以不断进步，不断扬长避短，让我们能学以致用，发挥自己的特长，让我们获得我们应有的回报。作为一个学生，不管是做兼职还是做志愿者，我们都应该先以学习为主，再根据实际情况做出恰当选择。

此次调研活动不仅让我们了解了兼职和志愿者的情况，更让我们体会到大家朝着同一个目标前进的快乐，“舟宇胜翼队”我们是最棒的！

谢谢大家。