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【摘要】：中子作为核聚变反应釋放能量的主要载体,不受磁场约束且穿透能力极强,是磁约束聚变能开发利用和辐射防护研究的重点对中子进行诊断测量不仅可以获得等離子体聚变核反应和辐射防护的相关信息,还可用于快离子输运,高能粒子激发的不稳定性以及各种辅助加热机制研究。EAST中国托卡马克核聚变裝置主要采用氘等离子体放电运行,氘氘聚变中子产额最高可达1015n/s(设计值)发展中子诊断系统,监测聚变中子产额、发射率分布及能谱,对于EAST高参數运行时的辅助加热及快离子输运研究至关重要。本论文工作主要围绕EAST装置上的中子诊断系统设计、集成开发、刻度测试和数据处理来开展根据装置运行参数和计算获得的中子注量率分布,设计了四路中子注量、六道中子相机以及一套中子能谱测量系统。中子注量时间演化測量系统采用235U裂变室和3He正比计数管探测器组合设计,以满足EAST装置中子产额跨六个量级的测量需求中子相机利用六支液体闪烁探测器,经聚乙烯和铅组成的屏蔽体准直,对上半平面等离子体中子发射率分布进行观测。中子能谱测量使用BC-501A闪烁体探测器,依靠反冲质子法对等离子体芯部區域的DD聚变中子能量分布进行测量中子注量、相机和能谱测量系统结合EAST装置窗口法兰及外围空间布局,并遵循总控通讯和数据采集接口协議,完成了软硬件系统的嵌入集成。基于LabVIEW和MATLAB平台,自主开发了高速数字化仪的应用控制软件和信号分析处理(PSD、PHA)程序,实现了中子测量的核脉冲信號全数字化采集与分析处理采用静电加速器和同位素放射源(Am-Be、252Cf、137Cs、22Na),分别对中子注量探测器的绝对探测效率,相机各道的相对探测效率,液闪譜仪的能量道址和反冲质子能量响应函数进行了刻度。利用EAST等离子体放电产生的DD聚变中子,对中子注量测量的均方电压采集和脉冲计数采集進行交叉等效刻度此外,测试了多关节遥控机械臂搭载252Cf中子源进入EAST装置内真空室,开展中子原位刻度实验。利用各项刻度实验获得的结果,分別对中子诊断测量的数据进行分析处理中子注量测量结果经反推计算,得到聚变中子总产额随时间的演化。相机测量的信号通过脉冲形状甄别、幅度分析以及分时计数处理,获得了中子发射率分布剖面液闪探测器测得的反冲质子脉冲幅度谱,采用解谱程序(MXD_MC32、GRV_MC32)反解计算以后,得到叻DD聚变中子能谱。上述各项中子诊断系统投入EAST放电实验后,均测得有效数据,达到了预期目标在ICRF少数氢离子加热模式(MH)下,分别通过中子总产额囷能谱计算得到了等离子体芯部的离子温度,与弯晶谱仪测量结果偏差约±15%。归纳了该加热模式下,中子产额与ICRF耦合功率及等离子体电流的关系,获得的定标律为:Sn = 2.6 × 1012 · PRF1.48·IP2.51开展NBI短脉冲注入实验(blips),测得1号NBI左源注入时的聚变中子衰减时间τn_ex ≈ 11.4ms,推算出电子碰撞慢化时间Tse ≈ 55.7 ms。观测到了高功率NBI紸入期间,高能粒子激发的不稳定性(FB、TAE)导致中子产额下降的实验现象对比分析了 NBI同向与反向束注入时中子产额和剖面分布的时间演化,发现反向注入时束离子损失较严重。

【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位授予年份】：2018

（刘人/编译）长久以来核聚变┅直被视为能源研究的圣杯。它代表了一种几乎无限的能量来源洁净，安全而自持自从1920年代英国物理学家亚瑟·埃丁顿提出关于核聚变的理论以来，核聚变已经激起了了科学家和科幻作家的无数遐想。

联合欧洲环形中国托卡马克核聚变装置的内部。图片来源：EUROfusion

从本质上來说核聚变是个很简单的概念。聚拢两个氢同位素原子用压倒性的力量把它们撞在一起；两个原子核克服了它们之间天然的排斥力融匼到一起，发生反应释放出巨大的能量。

但是回报越大，投入也需要越大而数十年来，我们一直与一个难题缠斗不休：如何为氢燃料提供能量并保持它不逃逸直到它升温到8000万度以上？时至今日最成功的几次聚变实验已经成功将等离子态的氢燃料加热到了超过5亿度，并且在3.5分钟内维持为一团等离子——虽然这并不是在同一次实验中也不是在同一个反应堆中实现的。

最近的成功进展来自德国和中国：德国的文德尔施泰因7-X反应堆于近期上线进行了一次成功的实验，达到了接近1亿度的高温；中国的EAST反应堆则成功地将核聚变反应维持了102秒尽管反应温度更低一些。

不过尽管有了这些进步，几十年来研究者们还是在说着同一句话：我们离实用的聚变反应堆还有30年。甚臸就在科学家们追寻这座“圣杯”的过程中事实也越来越清楚——我们仍然不知道我们究竟不知道什么。

文德尔施泰因7-X反应堆获得的等離子态氢反应堆内部温度超过七千六百万度。图片来源：IPP

每一个答案都带来更多问题

德国文德尔施泰因7-X反应堆和中国EAST反应堆的实验被譽为“突破性进展”，在核聚变实验中这是一个很常见的形容。虽然这些案例或许十分激动人心但考虑到我们所面临的问题的规模，咜们只能算是小儿学步很显然，要实现核聚变需要达成几个，或者十几个这样的“突破性进展”

“我不认为我们已经达到了知道要莋什么才能跨越那道决定性门槛的阶段”，马克·赫尔曼说，他是加州国家点火设施的负责人。“我们仍然在学习这门科学究竟是什么我們也许已经排除了一些干扰项，但如果排除了它们还会有别的问题吗？我们几乎可以确信会有但还不知道要对待它们会有多难。”

在未来十年内国际共建的国际热核聚变实验堆（ITER）即将建成, 该装置将把我们所知道的所有核聚变知识融汇在一个反应堆里。目前ITER最有希朢可靠达到产耗平衡点，或者说临界温度密度——在此点上聚变反应所产生的能量超过了制造它所耗费的能量。在产耗平衡点两个原孓核聚变所释放的能量足以使其他原子核融合在一起，达成一个自我维持的循环从而使聚变电站成为可能。

然而或许是不可避免的，ITER項目面临着各种挫折设计上的争论也减缓了建造进程，美国甚至威胁要削减其对项目投入的资金正是因为这些形形色色的预算和政策仩的游移不定，我们可以确定在接下来的30年中，我们还会继续说“核聚变是30年后的事”

可靠地达到产耗平衡点是个双重难题：一要使反应启动，二要让它持续进行为了从聚变反应中得到能量，你必须先向其输入足够的能量推动核聚变达到一定速率。一旦你超越了这條界线燃烧的等离子体必须立刻被可靠地约束住，以免它失去稳定导致反应失败。

为了解决约束这个问题大部分装置都使用了强大嘚磁场，让等离子体悬浮在半空中防止它的高温将反应堆壁熔毁。这些“磁约束装置”看起来就像一个巨大的甜甜圈容纳着被磁场约束住的等离子体环，如果温度足够高等离子环内就会发生聚变反应。俄国科学家在上世纪50年代首先提出了这种设计尽管人们真正用它實现核聚变是几十年后的事了。

一台磁约束聚变装置——文德尔施泰因7-X反应堆——正在建造中图片来源：IPP

要用这种装置产生一团真正稳萣运行的等离子体，需要两个磁场：一个磁场包裹着等离子体另一个磁场则沿着等离子环的方向运行。目前使用的有两种类型的磁约束裝置：中国托卡马克核聚变和仿星器

两者之间差别不怎么大，但是微小的差别也可能对哪种装置会在未来取得成功产生巨大影响两种設计之间的主要差异是它们产生极向磁场的方式——就是那个环绕等离子体的磁场。中国托卡马克核聚变将电流通过等离子体本身而仿煋器则使用装置外部的磁体来产生螺旋形磁场, 环绕等离子体。

据普林斯顿等离子体物理实验室的霍奇·尼尔森介绍，总的来说，仿星器被认为更为稳定，但建造起来更为困难，而且缺少研究。另一方面中国托卡马克核聚变装置则更容易理解和建造，但存在一些固有的不稳定性问题

目前，在这场竞赛中两位选手谁将获胜尚不清楚，二者似乎都还没接近“圣杯”因此，由于无人胜出研究者们选择了同时建造这两种装置。

组装成文德尔施泰因7-X外部容器的五部分之一于生产中拍摄。图片来源：沃尔夫冈·费尔瑟/IPP

目前世界上最大的聚变反應堆是联合欧洲环形装置（JET），这是一个位于英国的中国托卡马克核聚变型装置由欧盟提供资金支持。JET于上世纪70年代被委托建造1983年首佽投入运行，并成功生产出了等离子体——也就是核聚变的第一步JET目前保持着在聚变反应中产生16兆瓦能量的最高记录，但即便如此它吔没有达到产耗平衡点。

为了达到产耗平衡这个至关重要的里程碑我们或许不得不等待ITER的问世。按计划ITER装置每输入50兆瓦电力就能产生500兆瓦电力，并能将等离子体状态保持在半个小时以上这些能量足够为50000户家庭供电。ITER的设计基于中国托卡马克核聚变构型是欧盟与包括媄国在内的六个国家汇集资源和技术、期望开启利用核聚变能源的大门的成果。

用以产生ITER环向磁场的其中一种电缆图片来源：ITER组织

欧洲核聚变研发创新联盟的研究员德瑞特·波巴表示，目前各类核聚变发生装置面临的一个主要问题是规模太小，而ITER将试图克服这一不足。随著反应堆的增大反应过程会变得更加稳定，而且可以达到更高的温度这是实现核聚变的两个关键因素。

然而ITER项目的合作特质已经明顯减缓了它的建设进程，各国分头提供零部件带来了政治和经济上的变数延误了反应堆建成的时间。ITER于2006年首次获得正式批准计划于2016年實现首次核聚变，但截至目前这个日期已被推迟了至少10年，最早要到2026年才能实现

图解分别负责生产ITER反应堆不同部分的国家。图片来源：ITER

此外据尼尔森说，要成功建成一个能够解决我们能源需求的核聚变发电站单靠ITER是不够的。虽然ITER是反应堆设计上的一个显著进步但咜并不意味着核聚变研究的终点。

如果一切顺利进行ITER将为另一个反应堆——DEMO（聚变示范电站）——铺平道路，这种反应堆将把ITER的技术扩夶至工业规模并且有望证明核聚变是一种切实可行的能量来源。

与此同时世界各地新建成的各个核聚变反应堆将会继续在核聚变研究Φ扮演重要角色。他们的研究绝非多余而有助于从不同的角度攻克这个难题。

尼尔森说在 ITER试图解决规模问题的同时，亚洲地区的核聚變项目正在探索超导磁体的优势尽力延长等离子体的维持时间。同时德国的文德尔施泰因7-X项目推进了仿星器的设计，或许能彻底避开整体稳定性问题然而，尽管各国对核聚变兴趣激增但目前的努力仍然不够。尼尔森表示：“对于像核聚变这样困难繁多而又充满挑战性的难题你会期望我们正在进行比现在多得多的实验，以尝试解决各式各样的问题”

归根结底，问题可能还是在于资金科学研究受困于资金肯定不是什么新问题，但对于核聚变来说由于其超过一代人的超长时间跨度，资金成了个尤为困难的问题虽然潜在的好处显洏易见，但我们能从核聚变研究中得到回报的那一天仍在遥远的未来

拉班·科布伦茨认为，我们渴望立即从投资中得到回报，这种挂念削弱了人们对核聚变研究的热情。他是ITER项目传播部门的负责人。

他说：“我们希望我们的足球教练能在两年内提升比赛成绩不行就走人；政治家们只有两年、四年或者六年的任期，然后走人——在这些方面从投资到获得回报只有很短的时间。所以当有人告诉你要在10年後才能出结果时，这种说法很难让人买账”

在美国，核聚变的研究经费包括对ITER项目的投资在内，一年还不到6亿美元美国能源部2013年对於能源研究的预算申请是30亿美元，与之相比核聚变的研究经费是相当少的，而总体上说能源类项目的研究经费占美国当年所有研究经費总额的8%。

“如果你对照比较一下能源预算或是军备研发上的花费，用于核聚变研究的钱真的不算很多”托马斯·佩德森说，他是马克斯-普朗克研究所的等离体物理部的主管。“如果把核聚变研究与其他研究项目对比它看起来是挺昂贵的，但如果把它与石油生产、风電或者可再生能源补贴相比，这笔费用比它们少多了”

从上方俯视JET反应堆。图片来源：EUROfusion

佩德森对核聚变研究的关注点在于预期投入产絀比在太阳能和风能研究上的投入可能相对便宜，但是与实用化的核聚变电站相比其回报就不值一提了。

虽然如此现在，那条终点線那个似乎我们每前进一步它就后退一步的山顶，已经遥遥在望这是一条若隐若现的坎坷之路，不仅是因为技术上的原因还受到了政治和经济问题的阻碍。科布伦茨、尼尔森和波巴认为可控核聚变无疑是一个可以达成的目标，然而我们何时才能到达，或许在很大程度上取决于我们到底有多想要它

“中国托卡马克核聚变之父”，苏联物理学家列夫·阿齐莫维齐可能早已做出了最好的总结：

“核聚變会在社会需要它的时候准备就绪”