第一章輕核聚變的引入與背景第二章輕核聚變的關(guān)鍵技術(shù)第三章輕核聚變的經(jīng)濟(jì)與安全分析第四章輕核聚變的國(guó)際合作與進(jìn)展第五章輕核聚變的未來(lái)展望第六章輕核聚變的科學(xué)挑戰(zhàn)與未來(lái)研究方向101第一章輕核聚變的引入與背景輕核聚變的科學(xué)引入氫核聚變成氦核的反應(yīng)過(guò)程及能量釋放太陽(yáng)的聚變反應(yīng)太陽(yáng)核心的溫度、反應(yīng)速率及能量輸出氫彈的原理氫彈爆炸的原理及能量釋放機(jī)制宇宙中的輕核聚變3輕核聚變的歷史發(fā)展查德威克的發(fā)現(xiàn)1932年發(fā)現(xiàn)中子，為輕核聚變理論奠定基礎(chǔ)哈恩和斯特拉斯曼的發(fā)現(xiàn)1938年發(fā)現(xiàn)核裂變，科學(xué)家開(kāi)始思考輕核聚變的可能性氫彈試驗(yàn)1950年代美國(guó)開(kāi)始進(jìn)行氫彈研究，成功引爆世界上第一顆氫彈4輕核聚變的基本原理D+T→He+n+17.6MeV核結(jié)合能曲線輕核聚變釋放能量的原理及核結(jié)合能曲線的說(shuō)明氫核聚變成氦核的反應(yīng)過(guò)程氫核聚變成氦核的具體反應(yīng)過(guò)程及能量釋放機(jī)制輕核聚變反應(yīng)方程式5輕核聚變的應(yīng)用前景聚變能發(fā)電國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃的目標(biāo)是建造世界上第一個(gè)聚變發(fā)電站聚變能的原料輕核聚變因其原料（氫的同位素）來(lái)源廣泛、反應(yīng)產(chǎn)物無(wú)放射性污染等優(yōu)勢(shì)，成為未來(lái)能源的重要研究方向氫彈爆炸的原理氫彈利用氘氚聚變反應(yīng)，可在短時(shí)間內(nèi)釋放相當(dāng)于千萬(wàn)噸TNT當(dāng)量的能量602第二章輕核聚變的關(guān)鍵技術(shù)等離子體約束技術(shù)利用強(qiáng)磁場(chǎng)將帶電的等離子體粒子約束在特定區(qū)域內(nèi)慣性約束聚變（ICF）通過(guò)激光或粒子束轟擊小型燃料靶丸，使其內(nèi)爆壓縮并引發(fā)聚變反應(yīng)托卡馬克裝置展示托卡馬克裝置示意圖，標(biāo)注環(huán)形真空室、等離子體腔、超導(dǎo)磁體線圈等關(guān)鍵部件磁約束聚變（MCF）8聚變?nèi)剂涎h(huán)氘氚聚變反應(yīng)聚變反應(yīng)方程式：D+T→He+n+17.6MeV氘的獲取氘在海水中含量豐富，每升海水中約含30毫克氘氚的增殖氚可通過(guò)鋰同位素（Li-6）在聚變反應(yīng)堆中增殖，鋰礦石儲(chǔ)量充足9聚變堆材料科學(xué)鎢合金作為聚變堆第一壁材料的優(yōu)勢(shì)：熔點(diǎn)高達(dá)3422℃，熱導(dǎo)率高，抗中子輻照能力強(qiáng)碳化物材料碳化物材料在高溫下具有優(yōu)異的耐腐蝕性和抗輻照性能陶瓷材料陶瓷材料具有高熔點(diǎn)和良好的抗輻照性能，是聚變堆材料的未來(lái)發(fā)展方向鎢合金材料1003第三章輕核聚變的經(jīng)濟(jì)與安全分析經(jīng)濟(jì)可行性分析建設(shè)成本（約占60%）、燃料成本（約20%）、運(yùn)行維護(hù)成本（約20%）成本降低措施通過(guò)提高規(guī)模效應(yīng)、優(yōu)化燃料循環(huán)、延長(zhǎng)設(shè)備壽命等方式可降低成本聚變發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益聚變發(fā)電的發(fā)電成本與化石燃料相當(dāng)，具有極強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力聚變發(fā)電成本構(gòu)成12聚變能的安全性評(píng)估聚變能的安全性聚變能的天然安全性：反應(yīng)堆冷卻后立即停止，無(wú)鏈?zhǔn)搅炎冿L(fēng)險(xiǎn)中子輻射防護(hù)厚壁屏蔽材料可有效防護(hù)中子輻射氚泄漏控制固態(tài)包層材料可有效控制氚泄漏1304第四章輕核聚變的國(guó)際合作與進(jìn)展國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）ITER項(xiàng)目的主要參數(shù)裝置尺寸、磁場(chǎng)強(qiáng)度、等離子體參數(shù)、預(yù)期成果等ITER項(xiàng)目的科學(xué)目標(biāo)驗(yàn)證等離子體約束的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，為商業(yè)聚變電站提供關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)ITER項(xiàng)目的國(guó)際合作中、美、日、歐、俄、韓六方合作建設(shè)，共享技術(shù)成果和建設(shè)經(jīng)驗(yàn)15美國(guó)聚變能路線圖美國(guó)聚變能路線圖實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（如NIF）、示范電站（DEMO）、商業(yè)化（FEC）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目慣性約束聚變（NIF）、磁約束聚變（TAE）、聚變裂變混合堆（Fusion-FissionHybrid）美國(guó)聚變能研究的重點(diǎn)方向DOE已投入150億美元支持聚變能研發(fā)1605第五章輕核聚變的未來(lái)展望商業(yè)化聚變電站的構(gòu)想大型托卡馬克裝置、高效燃料循環(huán)系統(tǒng)、智能電網(wǎng)接口商業(yè)聚變電站的運(yùn)行目標(biāo)燃料自持、等離子體自動(dòng)控制、故障快速響應(yīng)等商業(yè)聚變電站的概念設(shè)計(jì)展示商業(yè)聚變電站的概念設(shè)計(jì)圖，標(biāo)注關(guān)鍵設(shè)備和工作流程商業(yè)聚變電站的設(shè)計(jì)要點(diǎn)18聚變能的社會(huì)影響聚變能的社會(huì)影響減少對(duì)化石燃料的依賴，降低碳排放，緩解氣候變化聚變能的能源安全提升能源安全水平，創(chuàng)造新能源產(chǎn)業(yè)就業(yè)機(jī)會(huì)聚變能的環(huán)境質(zhì)量帶動(dòng)相關(guān)技術(shù)發(fā)展，提升環(huán)境質(zhì)量1906第六章輕核聚變的科學(xué)挑戰(zhàn)與未來(lái)研究方向聚變堆的工程挑戰(zhàn)超導(dǎo)磁體的技術(shù)難點(diǎn)超導(dǎo)材料成本高、制造工藝復(fù)雜、冷卻系統(tǒng)能耗大等離子體穩(wěn)定控制提高聚變堆的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性材料抗輻照設(shè)計(jì)解決聚變堆的抗輻照、耐高溫、抗濺射等問(wèn)題21新型聚變反應(yīng)路徑氘氘聚變反應(yīng)截面大、反應(yīng)條件溫和、無(wú)氚增殖問(wèn)題氘氚-氘氘混合反應(yīng)提高反應(yīng)效率并減少中子輻射超熱離子體聚變利用高能離子束轟擊燃料靶丸，可提高反應(yīng)效率并減少中子輻射22聚變能的科學(xué)前沿聚變能的科學(xué)前沿包括量子輸運(yùn)理論、等離子體動(dòng)力學(xué)模擬、可控核聚變的人工智能控制等?？茖W(xué)家正在利用高性能計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)探索聚變堆的優(yōu)化設(shè)計(jì)。量子輸運(yùn)理論解釋等離子體中的波動(dòng)和不穩(wěn)定性，為聚變堆的穩(wěn)定運(yùn)行提供理論指導(dǎo)。等離子體動(dòng)力學(xué)模擬預(yù)測(cè)聚變堆的運(yùn)行行為，為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供參考。人工智能控制在聚變堆中的應(yīng)用包括故障診斷、參數(shù)優(yōu)化、自動(dòng)控制等。通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)維持等離子體穩(wěn)定。材料科學(xué)的突破解決聚變堆的抗輻照、耐高溫、抗濺射等問(wèn)題。新型鎢合金和陶瓷材料通過(guò)納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高材料性能。2307