关于核聚变发电替代燃煤燃气发电的研究

关于核聚变发电替代燃煤燃气发电的研究

陈达远 1 陈其光 2 陈培文 2

1. 四川建筑职业技术学院， 2. 四川成都金堂电厂

摘要﹕当今燃煤发电是电力供应的主力，但严重的污染和对气候的影响，到了必须改变的时候了。针对此问题，开展了对核聚变发电替代传统燃煤燃气发电的研究，并提出了相应的技术解决方案。

关键词：核聚变；磁约束；汽轮机；发电机

引言

磁约束核聚变已能产生几百兆瓦的能量，并能稳态和准稳态运行，无污染、燃料取之不尽。虽然如此，要把聚变能（中子）转变热能、电能，这也是一浩大的工程，需要将中子減速，重水吸收热能，再热交换，产生蒸汽，用汽轮机发电。如果建一个独立的聚变发电厂，首先要建启动电源（输变电站，耗资若干亿），建聚变装置须上百亿元，再加热交换，汽机，电机又须上百亿元，投资规模巨大。如果是建完整的聚变电厂，燃煤电厂将报废，一个厂损失将是几百亿。许多燃煤厂，不知还要损失多少亿元。

正文

1.核聚变结合传统燃煤发电

如果在燃煤电厂侧建磁约核聚变装置，利用燃煤电厂发的电作聚变装置的启动电源，比建独立的送变电站，将节约大量资金。

（图1）

2. 磁约束核聚变的结构

磁约束核聚变的主要结构有：环形真空环（壁层）；真空环中间的中心螺旋管线圈（OF），通以电流与等离子环偶和，中心螺旋管电流发生改变，形成磁通变化，从而形成等离子体环电流，並对等离子体进行欧姆加热，等离子体的温度只有几电子伏伏特，这样的温度不能进行热核反应。套在真空环外的磁压缩线圈（TF），通以强大电流形成5T的强磁场，离子受罗仑前兹力作用，等离子体被压缩，从而提高等离子体的密度，可达每立方米十的十九次方个离子。等离子体平衝线圈（TF），调整等离子体的位型。

辅助加热系统是离子在强磁场中受洛伦兹力作用，沿磁力方向作螺旋运动，有其迴旋频率，利用电磁共振原理，用微波进行加热，即出现电子迴旋波，离子回旋波、低混杂波，对等离子体加热，效果很好，可把等离子加热到10Kev以上，密度和能量己达到进行聚变反应条件。但离子在强磁场中沿磁力线运动，它的角速度分布比较单一，碰撞几率就比较低，发生反应的可能性也就小。为了改善其角速度分布，投入氘冰冻弹丸（将冰冻的氘制成园柱形，直径约2毫升，再切割成长约3毫米的园柱体，用高压的氘气将其射入等离子体芯部，可连续发射，弹丸约2毫克），消螎后，增加了等离子体密度，同时改变离子的角速度分布，增加了碰撞几率，也就增加了反应几率。为了进一步提高等离子体温度将用中性束（110Kev，50A）。有输入燃料和加热等离子体作。中性束是用RF射频，或藩宁离子源，桶式离子源作离子源，用电极引出並加速，使能量达120Kev，电流强度达50安培，这些离子通过中性化室，形成中性粒子，射入等离子体，达到加热和输入燃料的目的，还对等离子体的稳定起到一定作用。在真空环里D、T核燃料，发生核聚变，产生高能中子（14Mev）和氦离子（4Mev）。反应达到一定成度灰分增多，相比燃料组减少，会影响反应的进行，所以要设法将灰分排出。现在使用的方法是用偏滤器：偏滤器是用两组平行线圈将等离子环的等离子体切出一小等离子环，並用石墨瓦接收高能离子，此种离子在引导磁场作用下和喷入合适气体，将氘氢离子，氦离子he，R杂质排出。这是现在通用方法。很早是用集电极直接从等离子环中拉出。由于高能离子难处理而放弃。为了减小氙离子的排出，还有可能用微波将氚离子推向芯部（质动原理）。目前，中国科学院合肥等离子所解决得很好，达到准稳态运行。在达到一定条件（稳态电源和连续的燃料供应，连续排出灰分），可稳态运行。产生高能中子和氦离子。

（图2）

3.工作原理

中子只有通过壁层減速转换成蒸汽热能，驱动汽轮机、发电机，才能发电。

首先，将聚变反应的中子（14Mev）通过石墨減速，中子在石墨中进行弹射碰撞和非弹性碰撞将能量变成热能，（通过试验它的射程大约二十厘米），再用重水吸收热量（它也可对中子減速，吸收热能），并将热能带出，再通过热交换，变成蒸汽，输送到汽轮机, 驱动发电机发电。

4.这是庞大而复杂的工程，需要进行许多试验，得出相应数据，进行科学分析，精心设计。初步考虑：环型真空环内进行热核反应，要求较高的真空度（负的四次方巴），防止高能离子电子的撞击，有时在停车时，要承受很大压力，内壳壁厚将达十多厘米（高质量的不锈钢，铬钼钢，钇钼钢），并具有良好的气密性。面向等离子体贴上三厘米厚的石墨，以保护壁层和对中子减速。获取的热量传递给真空环内壳体不锈钢。在距内壳体不锈钢夾层内有重水向上流动(厚度大约三十厘米。)。中子继续放能量，重水吸收热能。

5.真空壁夾层中重水，向上流动，汇聚后用不锈钢管，将重水输入热交换器。变成高温蒸汽。输入到热交换器。热交换器出来的重水，用泵输x到夾层中，这是第一循环。热交换器承园桶形，上有重水进口，下部有出口，和重水循环泵。桶内装有紫铜蛇形管，蛇形管上部有水蒸汽管输出口，经气包，进行汽液分离，将蒸汽输入汽输轮机，气轮机带动发电机发电，气包出来的水汽通过水泵再进入交换器。这是第二循环。将重水输入重水吸热夾层。这是第一循环系统。即重水循环系统和第二蒸汽循环系统。

（图3）

5.在真空环夾层的外侧层处有一隔板将重水和铅锂反应器分开，隔板后面是铅锂液态金属反应器，中子与铅锂反应，产生更多中子，使中子增值。产生的慢慢中子与锂反应，产生聚变燃料氚、及氦气等，用汽液分离器取出T,He等，余下铅锂液体再适当加入铅锂后，用金属液体电泵输入到反应器，进行循环反应。即第三循环系统。

6.为了得出相关的资料和数据要还要作相关试验：

用不锈钢做成长50厘米，宽：20厘米，高20厂厘米的长方体，面向等等离子端贴3厘米厚的，高和宽为20厘米的石墨，並安装有测试中子能量和面密的装置，还装有红外温度测试装置，以测试中子能量和石墨的温度。长方体两侧有重水的进出口，管道用不锈钢，要用高温计测量进出的温度和流量，还要测中子的能量。在长方体尾部有一隔板将重水和铅锂反应器隔开。铅锂反应器制成长方体，用陶瓷做成高，宽19厘米，还厚度2厘米，两人端有进出口，要测量温度，流量，还要测量中子能量。将以上测量数据集成于电脑中，从而计算出中子的面功率，能量转换系数等。为堆的设计提供依据。

（图4）

7.结论

在燃煤电厂附近建聚变堆能节约大量资金，改善人类居住环境，具有深远重大意义。四川有中国工程院、核动力院、西南核物理研究院（五六十年来进行受控聚变研究），还有电子科技大学（长期研制微波加热等技术），还有西南交通大学（强有力的超导技术），东方锅炉厂，成都金堂燃煤电厂。说明四川有建设核聚发电厂的强大技术力量和深厚的基础。本文十分粗浅，能起到一点抛砖引玉的效果，我已是很高兴的了。

在此，向六七十年来、国内外进行受控核聚变工作的专家学者、工程技术人员致以崇高的敬意！