等離子體講義02

1、第二章，磁約束聚變裝置的類型2.1磁約束聚變裝置的分類如前所述，磁約束聚變裝置從形態(tài)上可分為開端裝置和環(huán)形裝置兩類。環(huán)形裝置的磁 場位形是環(huán)拓?fù)涞?，形狀多為圓環(huán)形，但也有少數(shù)跑道形（如運(yùn)動場上的跑道）的。為了 實(shí)現(xiàn)磁力線的旋轉(zhuǎn)變換，避免漂移帶來的粒子損失，必須產(chǎn)生極向磁場，和環(huán)向磁場合成 為螺旋磁場結(jié)構(gòu)。而產(chǎn)生極向磁場的方法，在托卡馬克為環(huán)向等離子體電流，在仿星器則 為外螺旋線圈。仿星器是穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)的。托卡馬克是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)的，一次放電時(shí)間為幾十毫 秒到幾分種，但是將來可以做到穩(wěn)態(tài)。近年來，發(fā)展了一種球形托卡馬克，又稱球形環(huán)。 它的磁場位形類似托卡馬克，但大半徑和小半徑之比（環(huán)徑比）較小，因而等離

2、子體近似 球形。開端裝置的代表為磁鏡。它是利用磁鏡原理建造的，也有很長的發(fā)展歷史，經(jīng)歷了簡 單磁鏡、標(biāo)準(zhǔn)磁鏡和串列磁鏡幾種類型。磁鏡也屬于穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)的類型。從時(shí)間尺度上看，還有一種稱為快過程的裝置。它的一次放電時(shí)間在幾十到幾百微秒，屬于一種高電壓大電流的脈沖放電技術(shù)。它的代表是箍縮類裝置，如直線箍縮（Z箍縮）、角向箍縮（B箍縮）和反場箍縮。它們可能是環(huán)形的也可能是直線形的。還有一類裝置稱為緊湊環(huán)。它們的位形接近球形，主要有場反位形、球馬克。有時(shí)也 將球形環(huán)歸入其中。2-1所示。為了比較,我們可按放電時(shí)間和等離子體位形將不同類型的裝置分類，如圖 我們將激光聚變也列入。慣性快過程準(zhǔn)榕態(tài)翁亦不同種類的

3、裝置，或者說不同的技術(shù)途徑都為聚變研究作出了貢獻(xiàn)。很多種類的裝置 在將來都有可能做成反應(yīng)堆提供聚變能源。了解不同類型裝置的原理和特征對研究某一類 型如托卡馬克是有好處的。我們將介紹幾種主要磁約束聚變裝置類型。2.2托卡馬克1,結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)結(jié)構(gòu) 托卡馬克裝置是蘇聯(lián)人提出并首先發(fā)展的。這一名詞從俄文TOKMaK而來,其前3字母是環(huán)形，后3字母是磁場的意思。綜合來說，是強(qiáng)磁場環(huán)形裝置。因?yàn)樗牧硪?特點(diǎn)是有環(huán)向等離子體電流，所以也可稱為環(huán)流器。等離子體電液等離子體醯力線圖2-2托卡馬克裝置原理這一裝置的運(yùn)行原理見圖 2-2。主要部件一為環(huán)向磁場線圈。它們在一環(huán)軸上分排列, 產(chǎn)生強(qiáng)的環(huán)向磁場，對等離子體

4、起約束和穩(wěn)定作用。第二部分為歐姆變壓器，由中心螺管 和若干外線圈構(gòu)成，作為變壓器的初級，產(chǎn)生變化磁通，感應(yīng)一個(gè)環(huán)向電動勢，將氣體擊 穿，形成環(huán)形等離子體。等離子體形成后，作為變壓器次級，在其中流過環(huán)向等離子體電 流。這電流不但將等離子體進(jìn)一步加熱，而且它產(chǎn)生的極向磁場和外加環(huán)向磁場合成為螺 旋磁力線，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)變換，消除因磁場漂移引起的電荷分離，避免因此引起的粒子損失。除去變壓器外，還有部分極向場線圈產(chǎn)生用于維持等離子體平衡的垂直場。氣體的擊 穿和等離子體的運(yùn)行都需要在較低氣壓下進(jìn)行，且須維持氣體的純度，所以另一重要部件 是真空室及抽氣系統(tǒng)。環(huán)形真空室位于環(huán)向場線圈之內(nèi)，一般由兩半組成，以利于安

5、裝。特點(diǎn) 在物理上，由于極向場是由等離子體電流產(chǎn)生的，其在徑向（即環(huán)的小半徑方 向）的分布也由電流分布決定，使托卡馬克成為一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)。以歐姆加熱為例。穩(wěn)態(tài)等 離子體電流的徑向分布，或者說其輪廓，是由等離子體的電阻分布決定的。而等離子體電 阻決定于等離子體參數(shù)（溫度、密度、雜質(zhì)含量）。等離子體參數(shù)決定于加熱和輸運(yùn)過程。 加熱和電流分布有關(guān)，輸運(yùn)則取決于多種因素，和微觀幾宏觀不穩(wěn)定性有關(guān)。這樣，就在 因果關(guān)系上構(gòu)成了閉環(huán)，所達(dá)到的狀態(tài)由自組織過程決定。此外，由于等離子體電流的存 在，可能發(fā)生一種破裂不穩(wěn)定性。它可能引起重大的工程事故，必須避免。在工程上，托卡馬克裝置有兩大缺點(diǎn)。第一是按照變壓器原

6、理，它是脈沖工作的。歐 姆變壓器的磁通變化值總是有限的，不能長期維持有電阻消耗的等離子體電流。而聚變堆 則要求穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，否則要配備大容量的儲能系統(tǒng)。不用變壓器的電流驅(qū)動方法也是有的， 就是使用波驅(qū)動或中性粒子注入。但這需要很復(fù)雜的電流驅(qū)動系統(tǒng)，會提高聚變堆的成本。第二，托卡馬克是通過電流對等離子體加熱的。加熱功率密度為n,其中r為電阻率，j為電流密度。按照Spitzer電阻公式 n*T-3/2，隨等離子體溫度的升高，電阻逐漸減小，使加熱 效率降低。計(jì)算表明，光憑歐姆加熱，在托卡馬克中是達(dá)不到聚變溫度的。為此，需要使 用輔助加熱，也以電磁波或中性粒子加熱手段完成，因而增加了它的工程復(fù)雜性和聚變堆

7、 的一次成本。因?yàn)橥锌R克等離子體物理的復(fù)雜性，不存在簡單的解析關(guān)系聯(lián)系裝置參數(shù)和所能達(dá) 到等離子體指標(biāo)。但在不同尺度的實(shí)驗(yàn)裝置上總結(jié)了一些定標(biāo)律，用裝置的尺寸、磁場、 電流等參數(shù)表示所達(dá)到的約束時(shí)間、密度、溫度、比壓等指標(biāo)，一般為冪級關(guān)系。在一代 又一代的裝置上檢驗(yàn)、修正這些定標(biāo)律，并據(jù)此對聚變堆建造所需條件作出預(yù)測，就是長 期以來托卡馬克途徑的發(fā)展軌跡。盡管托卡馬克的磁約束聚變途徑在以前幾十年里取得了長足的進(jìn)步，目前的進(jìn)展也基 本上符合以前總結(jié)的定標(biāo)關(guān)系 ,而且第一臺商用聚變堆幾乎肯定將是托卡馬克型的，但在聚 變界取得共識的是，托卡馬克未必是最佳反應(yīng)堆類型選擇。和其它類型裝置比較，它迄今

8、取得的成就可能是連續(xù)大規(guī)模投入的結(jié)果。所以，盡管托卡馬克仍為當(dāng)前研究主流，其它 類型的裝置的研究仍在進(jìn)行，其中一些也取得可觀的成就。研究課題 托卡馬克等離子體物理可分為宏觀和微觀兩類課題。宏觀問題主要是各種 磁流體不穩(wěn)定性，及由這些不穩(wěn)定性決定的運(yùn)轉(zhuǎn)極限，如電流、密度、比壓、安全因子的 極限。研究目的是如何控制等離子體，突破這樣的極限而進(jìn)一步提高等離子體參數(shù)，以及 如何防止破壞性的事件如破裂不穩(wěn)定性的發(fā)生。而這需要對宏觀過程有更透徹的理解。而 這要依賴于診斷和數(shù)值模型的改善。微觀不穩(wěn)定性主要與輸運(yùn)有關(guān)。實(shí)驗(yàn)揭示磁約束等離子體的輸運(yùn)遠(yuǎn)高于經(jīng)典輸運(yùn)和考 慮到環(huán)形裝置粒子運(yùn)動形態(tài)的新經(jīng)典輸運(yùn)水平，稱

9、為反常輸運(yùn)。近年來的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬 研究已證實(shí)反常輸運(yùn)來自漂移波等微觀不穩(wěn)定性。而且，不同類型的所謂高約束模的實(shí)現(xiàn) 已使一些輸運(yùn)系數(shù)降低到新經(jīng)典的水平。一些有關(guān)研究課題，如新經(jīng)典磁島、帶狀流（zonalflow ）、非局域性效應(yīng)（自組織過程）、輸運(yùn)方程的非對角項(xiàng)（能量、粒子、角動量輸運(yùn)的 交叉作用）、非輸運(yùn)的能量和粒子損失，都是當(dāng)前研究重點(diǎn)。邊界等離子體在等離子體約束中也是重要因素。涉及邊界區(qū)以及與壁的相互作用的一 些擾動模式對實(shí)現(xiàn)高的參數(shù)有直接的作用。托卡馬克型以及其它類型磁約束裝置建堆的一項(xiàng)主要困難是材料問題。在聚變堆里，面向燃燒等離子體的第一壁要承受每平方米幾兆瓦的14MeV高能中子的轟

10、擊。中子穿過第一壁，在結(jié)構(gòu)材料和磁體內(nèi)引起各種輻射效應(yīng)。低活性材料的選擇和測試是必須進(jìn)行的。2，國內(nèi)外主要裝置主要裝置 國外主要托卡馬克裝置如表 2-1 所示。這些裝置可分為兩類。最大規(guī)模的是JT-60U , TFTR和JET。它們的任務(wù)是沖擊最高等離子體指標(biāo)，研究高參數(shù)運(yùn)行時(shí)的物理問題。其中除JT-60U以外都進(jìn)行了 DT運(yùn)行。而在規(guī)模上次一等的裝置則各有其特點(diǎn)，重點(diǎn)研 究某一方面的課題。 例如DIIID原來是雙磁軸位形 (doublet)，后改為很長的截面。Tore Supra 是一個(gè)超導(dǎo)裝置，側(cè)重穩(wěn)態(tài)運(yùn)行問題。ASDEX-U的前身ASDEX在高約束模(H模)上作出過很大貢獻(xiàn)。FTU是強(qiáng)場

11、托卡馬克。TEXTOR-94主要研究雜質(zhì)問題。TCV可以實(shí)現(xiàn)不同等 離子體截面形狀，專門研究截面形狀的影響。表2-1國外主要大中型托卡馬克參數(shù)裝置名稱地點(diǎn)大半徑(m)小半徑(m)磁場(T)電流(MA)JT-60UJAERI3.4 1.1 4.2 2.5TFTRPrin ceto n2.4 0.8 5.0 2.2JETAbin hdo n3.0 1.253.5 5.0DIII DGA1.670.672.11.6T-10Kurchatov1.5 0.374.5 0.68Tore SupraCadarache2.370.84.52.0ASDEX-U Garcling1.650.53.91.4FTU

12、Frascati0.93 0.38.01.3TEXTOR94 Julich1.750.462.80.8TCV Lausa nne0.880.241.40.17*小半徑指等離子體小半徑，磁場指環(huán)向磁場，電流指等離子體電流，下同托卡馬克在我國我國第一臺托卡馬克是在陳春先(1934-2004)領(lǐng)導(dǎo)下建于1974年的 CT-6。這是一臺小型鐵芯變壓器裝置，后升級 為CT-6B，其大半徑0.45m，小半徑0.12,磁場 1.3T，等離子體電流34kA。曾進(jìn)行電子回旋波 預(yù)電離、電子回旋波啟動、交流運(yùn)行等物理研究 工作。圖2-3 CT-6裝置我國目前正在運(yùn)轉(zhuǎn)的托卡馬克有核工業(yè)西南物理研究院的HL-2A，中

13、國科學(xué)院等離子體物理研究所的HT-7和EAST。它們的主要指標(biāo)見表2-2。HL-2A為我國第一個(gè)有偏濾器的托 卡馬克(圖2-4)。它的真空室和磁場線圈來自德國的ASDEX。HT-7裝置的主體來自俄羅斯的T-7裝置。它的環(huán)向磁場由超導(dǎo)磁體產(chǎn)生。在這一裝置上已獲得持續(xù)5分鐘的穩(wěn)態(tài)放電。EAST是第一個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克(圖 2-5)。它的環(huán)向磁場和極向磁場線圈都是超導(dǎo)的。它的 主要參數(shù)和預(yù)計(jì)能達(dá)到的指標(biāo)可以和表2-1上的國外主要裝置相比，特別適合穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的研究。總的來說，我國在聚變裝置建設(shè)上取得了重要的進(jìn)展，但是在輔助加熱和電流驅(qū)動上， 以及等離子體診斷上尚有一定差距。表2-2我國主要托卡馬克裝置參數(shù)

14、裝置大半徑(m)小半徑(m)磁場(T)電流(MA)HL-2A 1.650.42.80.48HT-7 1.220.330.3EAST 1.950.453.51 (設(shè)計(jì)值)圖2-4 HL-2A裝置圖2-5EAST裝置2.3球形環(huán)1990年代以后，發(fā)展了一種新的聚變裝置類型，稱為球形環(huán)(spherical torus)，又稱球形托卡馬克(spherical tokamak)，簡稱ST,是一種低環(huán)徑比托卡馬克，也可認(rèn)為是傳統(tǒng)托卡馬 克的變型。圖2-6 等離子體截面參數(shù)圖2-7球形環(huán)和托卡馬克等離子體形狀比較環(huán)徑比(aspect ratio)定義為環(huán)形等離子體大半徑和小半徑之比A=R/a (圖2-6 )

15、。因?yàn)樾“霃絘是在水平方向(垂直對稱軸)方向取的，所以必然有 A>1。傳統(tǒng)托卡馬克的環(huán)徑比均 在3以上。A<1.5的托卡馬克稱為球形環(huán)。目前環(huán)徑比的最小記錄由Wise on sin大學(xué)的Pegasus裝置保持，其A做到1.1。反的環(huán)徑比& =1/A是環(huán)效應(yīng)大小的度量。大的環(huán)徑比，即小的等離子體接近直柱形狀，其自然截面接近圓形。而當(dāng)環(huán)徑比減小時(shí)，等離子體形狀接近球形(圖2-7)。這是其動力壓強(qiáng)平衡決定的。這時(shí)，其截面形狀也不再是圓形，而和其比壓值有關(guān)，產(chǎn)生不同 程度的變形，在垂直方向拉長，并有三角形形變，可用截面參數(shù)(圖2-6)拉長比(elongation ) K >1

16、，三角形變形參數(shù)(trianglarity )3 >0定量表示。在托卡馬克理論中，垂直方向拉長有 利于比壓值的增加，而三角形變形有利于穩(wěn)定。圖2-8托卡馬克（左，A=4 , q=4）和球形環(huán)（右，A=1.25, q=12）位形再看兩種裝置中磁力線的走向，也就是沿磁力線運(yùn)動的帶電粒子的大致軌跡（圖2-8 ）。圖中q為安全因子，高的q值對宏觀穩(wěn)定性有利。在傳統(tǒng)托卡馬克中，磁力線在環(huán)內(nèi)側(cè)和外 側(cè)的長度基本是一樣或接近的。而在球形環(huán)里，由于環(huán)內(nèi)側(cè)與外側(cè)高度不對稱，它們過多 地居環(huán)內(nèi)側(cè)，即磁場強(qiáng)的區(qū)域，而且是磁場曲率好（等離子體外部磁場強(qiáng)，內(nèi)部磁場弱） 的區(qū)域。這當(dāng)然非常有利于磁流體穩(wěn)定性。這些性

17、質(zhì)說明，球形環(huán)雖然和傳統(tǒng)的托卡馬克 有同樣的空間拓?fù)洌怯懈叩拇艌隼寐?。它可在較低的磁場中產(chǎn)生較強(qiáng)的等離子體電 流，并得到高的比壓值。此外，在這樣的裝置中，未觀察到一般托卡馬克中的電流破裂現(xiàn) 象。此外，它還可以形成自然的偏濾器位形。這樣的位形包含了分支面的磁面?？梢岳?這一磁場位形安裝排除雜質(zhì)的偏濾器。工程問題球形環(huán)在歷史上發(fā)展較晚，是因?yàn)橛幸欢ǖ墓こ屉y度。由于等離子體環(huán)大 小半徑接近，其中心圓孔變得很小。在這孔中，除去容納真空室壁以外，還要穿過環(huán)向場 線圈和中心螺線管?；谶@個(gè)特點(diǎn)，球形環(huán)的磁場線圈和真空室結(jié)構(gòu)不同與傳統(tǒng)托卡馬克。 它的真空室不可在小截面拆卸。而環(huán)向場線圈做成可拆卸的，

18、由中心柱和外臂組成。這就 使其匝數(shù)減少，每匝電流增加，電壓降低。環(huán)向場線圈的中心柱外套螺線管做成一體，插 在真空室的中心管里。典型結(jié)構(gòu)可以參見我國球形環(huán) SUNIST（Si no-Un ited Spherical Tokamak） 的結(jié)構(gòu)圖（圖2-9）。就因?yàn)橹行穆菥€管的空間過于狹窄，它的效率不能很高，或者說，它能產(chǎn)生的磁通變 化量很有限，驅(qū)動電流能力差。這是這類裝置的一項(xiàng)重要缺點(diǎn)。因而電流啟動是球形環(huán)的 一項(xiàng)研究重點(diǎn)。除去常用于托卡馬克上的非感應(yīng)電流啟動技術(shù)，如電子回旋共振波的輔助啟動以外， 還發(fā)展了各種啟動技術(shù)。例如使用所謂同軸螺旋注入的方法啟動電流。又如第一臺球形環(huán) START，使用的

19、是一個(gè)現(xiàn)成的大真空室，一些極向場線圈置于真空室內(nèi)。在外側(cè)感應(yīng)生成 一個(gè)A較大的環(huán)形等離子體，然后增加環(huán)向場，將其在大半徑方向壓縮成球形環(huán)位形。就因 為其真空室內(nèi)有充分的空間，可以透過窗口攝取等離子體的影像（圖2-10）加熱場外線圈圖2-9 SUNIST裝置圖2-10 START的等離子體影像因?yàn)橹行穆菥€管的功能差，發(fā)展一種非螺線管電流啟動。它也是感應(yīng)電流啟動，但不 用低效率的中心螺線管，而使用居于外側(cè)的極向場線圈。一般說來，這樣缺乏中心螺線管 的一組極向場線圈雖能產(chǎn)生磁通變化，但其產(chǎn)生的是垂直場形態(tài)，不容易擊穿放電。從堆的角度看，傳統(tǒng)托卡馬克堆的缺點(diǎn)，即防護(hù)中子輻射問題，在球形環(huán)中放大了， 因

20、為空間狹窄，磁體中心柱組件更難防護(hù)中子輻照。因此，倘能根本取消中心螺線管，將 使球形環(huán)建堆的前景更為光明。主要裝置 目前在國際上有兩個(gè)較大的 ST在運(yùn)行。一臺是英國的MAST( Mega Ampere Spherical Tokamak),另一臺是美國的 NSTX ( National Spherical Torus Experiment )它們的主 要參數(shù)見表2-3。表2-3主要球形環(huán)參數(shù)名稱地點(diǎn)大半徑(m)小半徑(m) A電流(MA)磁場(T)MASTCulham0.70.65 1.3 0.521.35NSTX Princeton0.850.671.250.31ST是從1990年代才發(fā)展起

21、來的。在倡導(dǎo)和推動這種類型裝置的過程中，Prin ceton的彭元凱(M.Peng)起了很大的作用。它雖然歷史短暫，但在不同類型裝置中，參數(shù)進(jìn)展最快，已 僅次于傳統(tǒng)托卡馬克和仿星器達(dá)到的指標(biāo)，成為將來聚變堆類型的可能候選者，為磁約束 聚變的前途增添了變數(shù)。2.4仿星器1, 一般特點(diǎn)仿星器的概念是美國著名等離子體物理學(xué)家斯必澤(L.Spitzer，1914-1997)提出的，是最早的磁約束聚變裝置概念之一。在仿星器中，沒有，或不一定有整體的環(huán)向電流，而 是靠外界線圈產(chǎn)生極向磁場，使帶電粒子沿合成的螺旋磁力線運(yùn)動，消除漂移引起的電荷 分離。圖2-118字型仿星器位形圖2-12標(biāo)準(zhǔn)仿星器位形Spit

22、zer最早提議的仿星器位形是使真空室以及磁場方向構(gòu)成部分上下重疊的“8”字形（圖2-11），是在兩個(gè)彎曲段向上和向下的粒子漂移抵消。這樣的設(shè)計(jì)在工程上實(shí)現(xiàn)比較困難。稍后，又提出環(huán)向線圈加螺旋繞組的方案（圖2-12），成為早期仿星器的標(biāo)準(zhǔn)位形。在歷史上也曾建過跑道形仿星器。圖2-13為西南物理研究院在1971年組裝的仿星器“凌云”，就是跑道形的。它的真空室由兩段直線段和兩和半圓段組成。主磁場和螺旋繞組串 聯(lián)供電。用兩等離子體槍（圖下方右側(cè)）注入產(chǎn)生初始等離子體，用離子回旋波（圖上方） 進(jìn)一步加熱。直線段上還安裝一個(gè)偏濾器（圖下方左側(cè)）。在這一裝置上，進(jìn)行了用電子槍發(fā)射電子束，追蹤 其軌跡以研究磁

23、面 結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)。美國在 1960年代建設(shè)的仿 星器C也是跑道形 的。圖2-13仿星器“凌k ?云像圖2-12這樣的標(biāo)準(zhǔn)仿星器位形有兩個(gè)特點(diǎn)。一是它的結(jié)構(gòu)以及產(chǎn)生的等離子體，都 不再保持軸對稱了。二是它的等離子體截面也不可能保持圓形（圖2-14）?？捎脙蓚€(gè)參數(shù)表示其周期結(jié)構(gòu)特征。一個(gè)是它的小截面方向的模數(shù)I，另一個(gè)是它的環(huán)向模數(shù) n。圖2-12所顯示的參數(shù)是1=3, n=1。目前的仿星器大多取1=2。，n則多少不等。圖2-14，仿星器中的等離子體截面，I分別為1,2,3（從左到右）鑒于仿星器磁場結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，可以用直線近似來模擬。這時(shí)位形具有螺旋對稱性。在直線近似下，角向模數(shù)為l的磁場表示為(2

24、-1)Br = lb| l| (I ar)sin(l 0- 3 az)Be = lb|l |(I ar)cos(l 0- 3 az) arBz = Bo - 3bih(l ar)cos(l 0- 3 az)其中B0為均勻的縱向磁場，b|為一決定螺旋場強(qiáng)度的常量，h為Bessel函數(shù)，a >0為一常數(shù),相當(dāng)于縱向模數(shù)n。3 =± 1決定右旋或左旋。2,仿星器類型在工程上，像圖2-12這樣的標(biāo)準(zhǔn)仿星器的線圈布置有明顯的缺點(diǎn)，即它們互相套疊, 安裝拆卸困難，特別不適合于反應(yīng)堆。因而想了很多辦法予以改進(jìn)。一種方法是用一組同一電流方向的螺旋線圈代替原來的環(huán)向場線圈和螺旋繞組。其數(shù) 目是原

25、來螺旋繞組線圈數(shù)目之半。而它們產(chǎn)生的垂直方向磁場用另一組水平方向的垂直場 線圈抵消。這樣的裝置稱為扭曲器(torsatron)。例如圖2-15是一臺扭曲器ATF(AdvaneedToroidal Facility)。它的模數(shù)是 1=2,n=6。另一解決方案是將環(huán)向場線圈的中心不再排列在一平面的圓周上，而是排列在一個(gè)繞 圓周的螺旋線條上。這樣的裝置稱為螺旋磁軸裝置heliac(Helical Axis Device),例如西班牙的TJ-II裝置(圖2-16)。它的l=2,n=4，還安裝了一組水平放置的線圈，以提高位形變化的靈 活性。圖2-15 扭曲器ATF圖2-16 螺旋磁軸裝置 TJ-II36

26、093fi00360036u圖2-17仿星器線圈模塊化原理為使仿星器工程簡化，還有一種將環(huán)向場和螺旋繞組結(jié)合起來的設(shè)計(jì)稱為模塊化。其 原理如圖2-17所示。這是一幅將環(huán)向場線圈和1=1,n=1的螺旋線圈所在環(huán)面展開的示意圖。螺旋繞組由電流方向相反的兩餅線圈組成。調(diào)節(jié)環(huán)向線圈的個(gè)數(shù)使其每一個(gè)中的電流和螺 旋線圈電流相同。這樣，使它們重新分解、聯(lián)合，就可由若干局域化的線圈行使產(chǎn)生環(huán)向 磁場和螺旋磁場兩項(xiàng)功能。隨模數(shù)增加，這樣的單個(gè)線圈形狀更為復(fù)雜，但使安裝簡化。 這種模塊式仿星器稱為 modular。圖2-18 模塊式仿星器 W7-AS圖2-19 扭曲器LHD德國的仿星器 W7-AS(WENDEL

27、STEIN 7-AS )就是一臺模塊式仿星器(圖 2-18)。不 過，它在模塊式線圈之外，又加了一組環(huán)向場線圈，以增加調(diào)節(jié)位形的靈活性。它使用電 子回旋波和中性粒子加熱。當(dāng)前最大的仿星器是日本的 LHD(Large Helical Device)(圖2-19)。它是一臺扭曲器類 型的裝置，又稱為螺旋器 (heliotron)。它的磁體結(jié)構(gòu)類似于圖 2-15，由三對極向場線圈和一 對螺旋場線圈組成，全為超導(dǎo)磁體。表2-4，主要仿星器裝置參數(shù)名稱類型地點(diǎn)模數(shù)l/n大半徑(m)小半徑(m)磁場(T)LHD扭曲器NIFS2/103.90.5-0.653.0-4.0ATF扭曲器Oak Ridge2/62

28、.1 0.3 20W7-AS模塊式Gachi ng2/52.00.22.5-3.5HSX模塊式Wiscon sin2/41.20.151.0TJ-II螺旋磁軸CIEMAT2/41.5 0.12-0.2 1.0NCSX模塊式Pririceto n2/31.40.311.2-1.7發(fā)展前景 仿星器的工藝復(fù)雜，加工和安裝的精確度要求高，但是由于極向場由外線 圈決定，物理上比托卡馬克簡單。由環(huán)形等離子體電流引發(fā)的問題，如破裂，它不存在， 雖然也有宏觀不穩(wěn)定性問題。其主要優(yōu)點(diǎn)還是穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。它的很多方面，如新經(jīng)典輸運(yùn)、 反常輸運(yùn)、高約束模、輔助加熱等物理及工程問題，都和托卡馬克有共同點(diǎn)。在仿星器上， 也總

29、結(jié)了類似托卡馬克的定標(biāo)律。作為托卡馬克的參照物，其研究成果也對托卡馬克研究 作出貢獻(xiàn)。目前正在運(yùn)行的一些主要仿星器的參數(shù)見表2-4。在過去一些年內(nèi)，仿星器研究取得重要進(jìn)展。目前達(dá)到的三乘積指標(biāo)大約只比托卡馬克小一到兩個(gè)量級(LHD上的參數(shù)三乘積203已達(dá)到n tT >10 m keVs)。在lhd上，以及德國在建的超導(dǎo)仿星器 W7-X (主半徑5.5m, 平均小半徑0.55m，磁場2T )上，將進(jìn)行30分鐘的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。很多人認(rèn)為，仿星器極可能是將來托卡馬克堆的有力競爭者。由于仿星器的線圈形狀復(fù)雜，占據(jù)較大空間，其環(huán)徑比普遍為7-10，如果建堆，總的體積要很大。例如建LHD式的反應(yīng)堆，大半

30、徑要有 R=14m。為減少尺寸，仿星器也向小環(huán)徑比發(fā)展。美國Princeton在建的緊湊型仿星器 NCSX ( National Compact Stellarator Experiment )(圖 2-20)的環(huán)徑比達(dá)到 A=4.5。 預(yù)計(jì)這種緊湊型的仿星器堆可以接近托卡馬克堆的尺 寸。此外，環(huán)徑比達(dá)到 3.5的球形仿星器也在設(shè)計(jì)之中。2-20 緊湊型仿星器NCSX2.5磁鏡磁鏡是一種開端裝置，也有很長的發(fā)展歷史。但和托卡馬克不同，它的基本位形經(jīng)歷 了幾個(gè)階段的變化。這幾個(gè)階段是簡單磁鏡-標(biāo)準(zhǔn)磁鏡-串列磁鏡1,簡單磁鏡簡單磁鏡(simple mirror)就是兩頭磁場強(qiáng)，中間部分 弱的軸對稱

31、磁場位形。最簡單的簡單磁鏡可以用處于同一對稱軸上的兩個(gè)電流方向相同的圓線圈產(chǎn)生(圖2-24 )。圖2-21，簡單磁鏡和其中的粒子運(yùn)動按照磁鏡原理，當(dāng)帶電粒子從磁鏡中心沿磁力線朝兩端運(yùn)行時(shí)，可以在強(qiáng)磁場位置發(fā) 生反射而返回中心區(qū)，而得到約束。但是，處于中心區(qū)的粒子，如果在速度空間的損失錐 里，則將逸出端部而損失。在一個(gè)實(shí)際磁鏡里，由于電子和離子的熱速度不同，它們從終端逃逸的損失率不同， 電子損失大于離子。這樣就使磁鏡中心相對端部呈正電位，就像圖2-22左圖表示的一樣。在存在靜電位的條件下，推導(dǎo)帶電粒子的運(yùn)動須考慮靜電的作用。假設(shè)終端處電位為零，中 心處為0 °,損失錐的方程為V|2 -

32、 (R- 1)vi = -如(2-2)m其中R= Bm/B0為磁鏡比，Bm, Bo分別為端部和中心處磁場。(2-2)在電位很小或粒 子速度很高時(shí)右側(cè)很小，結(jié)果接近前面導(dǎo)出的損失錐。對于電子，電荷e<0,左右兩損失錐通過一個(gè)“雙極洞”(ambipolar hole)相通(圖2-22中)；對于離子，e>0,左右兩損失錐斷絕聯(lián)系，在低能區(qū)存在一個(gè)靜電約束區(qū)(圖2-22右)。這種損失錐結(jié)構(gòu)使離子損失增加，電子損失減少，直到兩者流量平衡。圖2-22，簡單磁鏡中的磁場和電位軸向分布和速度空間中離子和電子的約束區(qū)域這樣的電子離子兩分量的雙極擴(kuò)散速度，一般接近擴(kuò)散慢的分量，也就是主要由離子 分量決

33、定。而粒子的約束決定于速度空間內(nèi)向損失錐里的擴(kuò)散。對每一次碰撞來說，碰撞 后按一定幾率進(jìn)入損失錐。這幾率和損失錐大小，或者說和磁鏡比R有關(guān)。從理論可以推導(dǎo)， 磁鏡中的粒子約束時(shí)間為TpIn R(2-3)T為離子-離子碰撞時(shí)間。 這一碰撞頻率正比于 Ti3/2。根據(jù)Fokker-Planek方程的計(jì)算，對于D 的聚變參數(shù)ni t= 2.5 xi016Ti3/2 logic R(m-3s)(2-4)其中Ti (keV)為離子能量。這一約束定標(biāo)率已經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)。如果達(dá)到DT反應(yīng)的Q=1條件，需要離子能量達(dá)100keV , R在3以上。在磁鏡中可以用等離子體槍注入或用電子回旋共振波產(chǎn)生初始等離子體?？捎?/p>

34、磁壓縮、離子共振波注入或高能中性粒子注入進(jìn)一步提高溫度。為改善磁鏡約束，應(yīng)該提高磁鏡比R。但R的增加是有限的，而且對改善約束好處不大。 中心區(qū)磁場過弱會降低徑向的約束。而且，簡單磁鏡最大的缺點(diǎn)是宏觀穩(wěn)定性不好。從圖 2-21可以看出，在簡單磁鏡的中心區(qū)，磁力線的曲率半徑中心在等離子體區(qū)。也就是說，磁 場在徑向向外減弱。這樣的磁場位形對多種磁流體不穩(wěn)定性是不穩(wěn)定的，如槽紋不穩(wěn)定性。 因此，進(jìn)一步提高簡單磁鏡中等離子體參數(shù)，使其達(dá)到堆條件是很困難的。在簡單磁鏡中，有一種改善磁場位形的方法，即用電子回旋波在等離子體中產(chǎn)生熱電 子，作垂直磁場方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，構(gòu)成一個(gè)熱電子環(huán)，產(chǎn)生反方向的軸向磁場，降低

35、總的 中心磁場，提高磁流體穩(wěn)定性。早在1970年代，我國核工業(yè)西南物理研究院就研制了一超導(dǎo)磁鏡303。后來，中國科學(xué)院等離子體研究所和物理研究所合作，研制了一臺電子環(huán)磁鏡HER。2, 標(biāo)準(zhǔn)磁鏡 (standard mirror)a回兇岡另一改善磁場位形的方向是尋求一種外加磁場位形，它在徑向是越往外磁場越強(qiáng)。它 的磁場在中心最小，稱為最小 B （ Min-B ）。這樣的位形由一個(gè)稱為壁磁鏡比的參數(shù)表征。 它是徑向邊界處磁場和中心磁場之比。尋求最小B的努力導(dǎo)致了一類新的磁鏡，標(biāo)準(zhǔn)磁鏡的誕生。為增加邊界區(qū)的磁場強(qiáng)度，一種方法是外加磁場。為不致改變磁鏡的基本位形，這一 外場應(yīng)是多極的。最早的方案是蘇聯(lián)

36、的約飛（Ioffe）提出的，由平行磁軸的四根棒狀導(dǎo)體構(gòu)成, 相鄰棒流過方向相反的電流。這樣的導(dǎo)體系被稱為約飛棒。它的形態(tài)和產(chǎn)生的等離子體形狀見圖2-23。可以證明，在這樣的磁場形態(tài)中，從中心朝所有方向磁場值都加強(qiáng)。顯然，這 樣的等離子體已不再是軸對稱的了。事實(shí)上，在1980年代，也曾出現(xiàn)另一種最小 B位形的磁鏡裝置。 其思路也是使用多極磁 場加強(qiáng)徑向邊界處的磁場強(qiáng)度。但使用了和主磁場線圈同一走向的處于等離子體內(nèi)的多個(gè) 線圈，而其中的電流是交錯(cuò)反向的（圖2-26 ）。這樣的磁鏡依然是軸對稱的，而且可在軸向圖2-23，約飛棒圖2-24，壘球線圈圖2-25，陰陽線圈約飛棒這樣的導(dǎo)體，可以將其與產(chǎn)生軸

37、向磁場的線圈合在一起，形成一個(gè)線圈。其形狀像壘球的縫線軌跡 （圖2-24），稱為壘球線圈。又有人將其分為兩個(gè)， 稱為陰-陽線圈（圖2-25）。它可以具有更大的磁鏡比。這幾種線圈所產(chǎn)生的都是四極磁場。也有的裝置采用更 高級的多極場。如蘇聯(lián)的磁鏡 OGRA用的是六極場。用這幾種最小B磁場位形的磁鏡稱為標(biāo)準(zhǔn)磁鏡。標(biāo)準(zhǔn)磁鏡中的宏觀穩(wěn)定性得到改善。在美國的Livermore實(shí)驗(yàn)室，曾作過單純使用壘球線圈的約束裝置。 但取得較成功的是2X系列。 它們采用磁鏡線圈加上陰陽線圈的設(shè)計(jì)。在2X11B中，等離子體密度達(dá)到2 x 1020m-3，離子溫度達(dá)到13keV，比壓達(dá)到2,比一般的高比壓裝置還要高。但是在密

38、度達(dá)到一定的臨界值后，約束就不能進(jìn)一步改善。這是由于一種損失錐的不穩(wěn)定性在高密度時(shí)產(chǎn)生。這種非軸 對稱的最小B位形做成的標(biāo)準(zhǔn)磁鏡雖然后來未得到發(fā)展，但其原理用在以后的串列磁鏡作為端塞，取得了很大的成功。圖2-26軸對稱多極場磁鏡和徑向產(chǎn)生大的磁鏡比。這樣的大磁鏡比可能改變對數(shù)的定標(biāo)率（2-3）。這是因?yàn)椋谝话愕拇喷R中，粒子的損失取決于內(nèi)向損失錐邊界的擴(kuò)散。在磁鏡比R很大，損失錐很小時(shí)，近距離大角度的散射可能使粒子跳過損失錐，而不致?lián)p失，使約束時(shí)間對R為線性定標(biāo)。但這樣的裝置涉及置于等離子體內(nèi)的線圈，又產(chǎn)生一些新的技術(shù)問題。3，串列磁鏡（tandem mirror）我們注意到，在磁鏡約束時(shí)間公

39、式（2-4 ）中，根本沒有裝置尺寸數(shù)據(jù)。所以磁鏡不像托卡馬克那樣，可以依照定標(biāo)律不斷擴(kuò)大裝置尺度實(shí)現(xiàn)聚變。在（2-4）中之所以沒有裝置尺寸如長度，是因?yàn)榧僭O(shè)離子平均自由程遠(yuǎn)大于磁鏡長度，粒子損失發(fā)生在速度空間。為 改善磁鏡的約束，有兩種途徑。一是增加長度，使（2-4 ）不再適用。但計(jì)算表明，為實(shí)現(xiàn)聚變，磁鏡長度至少有幾公里。另一途徑是設(shè)法減少終端損失。為了解決磁鏡類裝置的根本弱點(diǎn)終端損失問題，在歷史上曾使用靜電、高頻等方法堵塞端部，減少損失。后期則設(shè)計(jì)了不同的端塞（end plug），將終端“塞”住。這樣就將磁鏡劃分為中心室和兩個(gè)端塞室，發(fā)展為串列磁鏡。在簡單磁鏡里，中心呈高電位，對電子形成位

40、阱，卻有利于離子的流失?？偟牧Ｗ蛹s 束也主要由離子分量決定。為了約束離子，應(yīng)該在端部形成高電位。這由增加局部粒子密 度得到。這是因?yàn)?，粒子密度服?Boltzma nn關(guān)系n = n0 exp（e ©/ kTe）（2-5）這一關(guān)系的來源是因?yàn)殡娮臃至?服從Boltzmann關(guān)系ne = n0 exp（-e©/kTe），而電子電荷e<0。離子分量由于慣性，一 般不服從這一關(guān)系，但由于電中 性，有和電子大致相等的密度。圖2-27串列磁鏡中等離 子體形態(tài)和磁場、電位和 粒子密度的軸向分布在串列磁鏡中，兩個(gè)端塞室就是兩個(gè)小磁鏡。在兩個(gè)端塞中，用中性粒子注入提高粒 子密度，形成

41、了高的電位，而在中心室里，由于終端損失減少，電位相應(yīng)下降?？偟膩碚f， 等離子體呈高電位，電子得到約束。而中心室相對于端塞室電位呈低電位，離子也得到約 束。兩個(gè)端塞一般使用最小 B的壘球線圈或陰-陽線圈產(chǎn)生。這樣的位形中的等離子體形狀 和相應(yīng)的參數(shù)分布見圖 2-27。其中等離子體密度在右半部表示，等離子體電位在左半部表示。它們的定性行為是一致的。圖2-28有熱壘的串列磁鏡的磁場、電位和粒子密度熱壘和錨室在串列磁鏡中，增加端塞室的粒子密度可以提高局部電位，約束離子。但是，使用中性粒子注入需很大的功率。按照（2-5），為提高端塞室的電位，也可以用提高電子溫度的方法。為了有效加熱端塞，又提出在端塞和中

42、心室間加一個(gè)熱壘，即局部的電位降低，使端塞室和中心室的電子熱絕緣（圖2-28）?？捎枚喾N方法產(chǎn)生熱壘。例如可提高局部的磁場，也可用低能中性粒子在損失錐內(nèi)注入，使約束離子轉(zhuǎn)換為中心離子逸出， 注入的中性粒子轉(zhuǎn)換為損失錐內(nèi)的離子也逸出，而使局部電位降低。在熱壘作用下，即使 端塞室的粒子密度np不高于中心室粒子密度 nc，也可形成中心室的離子壘。繼熱壘概念提出并在實(shí)驗(yàn)上得到驗(yàn)證后，蘇聯(lián)科學(xué)家又提出氣體動力阱（gas dyn amicLRVitrap）的概念，后來用于串列磁鏡。所謂氣體動力阱是指一個(gè)簡單磁鏡工作在碰撞區(qū)時(shí)，粒 子的能量和磁矩不再守恒，磁鏡像一個(gè)裝流體的瓶子，粒子約束決定于從兩端的洞中的

43、流 失率。這等離子體流為nSmvi，其中n為粒子密度，Vj為離子熱速度， 為瓶口面積。用總粒 子數(shù)nLS除以這流量得到粒子約束時(shí)間為(2-8)其中L為磁鏡長度，S為中心區(qū)截面積，R為磁鏡比。比較這一對R的定標(biāo)律和無碰撞區(qū)的（2-3） 式，可知在氣體動力約束中，高的磁鏡比起了更大的作用，而且，由于損失錐作用的減弱， 損失錐不穩(wěn)定性得到穩(wěn)定。而且，它將裝置長度引進(jìn)約束時(shí)間公式（2-8）,可以用延長長度的方法延長約束時(shí)間?；谶@樣的氣體動力阱概念建造的磁鏡也取得成功。但是，高溫的磁鏡堆不可能運(yùn)轉(zhuǎn)在碰撞區(qū)，而且，也不需要在整個(gè)磁鏡內(nèi)部都作到高 密度，而僅需在鏡區(qū)附近作到即可。這便產(chǎn)生了錨（anchor

44、）的概念。這樣的錨室連接中心室和端塞（熱壘）室，運(yùn)轉(zhuǎn)在碰撞區(qū)。它不但增加了約束，而且抑制了磁流體不穩(wěn)定性， 故稱為錨室。安裝錨室的串列磁鏡可稱錨定磁鏡。錯(cuò)室中心室f*ICFfICFdNBIaf瑤塞室J圖2-29 GAMMA 10串列磁鏡日本筑波大學(xué)的GAMMA10串列磁鏡就是一個(gè)錨定磁鏡。圖 2-29表示其結(jié)構(gòu)、等離子 體形狀、電位（實(shí)線）和磁場（虛線）。它總長27.1m，由中心室、兩個(gè)錨室和兩個(gè)端塞室（包括熱壘區(qū)）構(gòu)成。每個(gè)的錨室由三個(gè)壘球線圈和兩個(gè)跑道形線圈構(gòu)成。用等離子體槍 在端部沿磁力線注入初始等離子體，用離子回旋波在中心室予以加熱。在每個(gè)端塞室，兩 束回旋管產(chǎn)生的電子回旋波在端塞室及

45、熱壘區(qū)注入，一中性粒子束傾斜入射，以產(chǎn)生要求 的電位分布。在每一錨室，也有一中性粒子束注入以產(chǎn)生熱離子。這熱離子在半徑很小的地方產(chǎn)生了一個(gè)密離子環(huán)，形成氣體動力約束，改善中心室等離子體的穩(wěn)定性。另一大型錨定串列磁鏡是美國 MIT的TARA。和GAMMA10不同，它的錨室置于端塞室之外。經(jīng)長期發(fā)展改進(jìn)，磁鏡的類型多種多樣。俄羅斯新西伯利亞的Budker核物理研究所有ifilfHl II一臺多級磁鏡阱裝置 GOL-3，由55個(gè)小磁鏡串聯(lián)而成， 磁鏡比4.8T/3.2T，總長12m （圖2-30）。 用高能電子束加熱，離子平均自由程相當(dāng)于每一小磁鏡長度。這一裝置上的聚變?nèi)朔e參數(shù) n tT 達(dá)到 1

46、018m-3keVs。磁鏡途徑經(jīng)長期發(fā)展，基本模式歷經(jīng) 演變，主要因投資關(guān)系未得到充分重視， 但仍不斷取得進(jìn)展。由于帶電粒子從終端 損失可用于能量的直接轉(zhuǎn)換，也可考慮使 用氦3燃料。圖2-30多級磁鏡阱裝置 GOL-32.6箍縮類裝置箍縮類裝置基于箍縮效應(yīng)，在技術(shù)上屬于快放電裝置。它的發(fā)展有很長的歷史，其發(fā) 展的路線圖如下Z箍縮t角向箍縮 t環(huán)形箍縮 t反場箍縮但是最先發(fā)展的Z箍縮在近年來又得到很大進(jìn)展，成為慣性聚變有希望的驅(qū)動源之一。1, Z箍縮一個(gè)直柱形的等離子體通過軸向電流時(shí)，電流產(chǎn)生角向磁場。電流在磁場作用下，產(chǎn) 生向內(nèi)的壓力使等離子體收縮。這個(gè)過程稱為箍縮（ pinch）效應(yīng)。這種軸

47、向電流產(chǎn)生的箍 縮稱為Z箍縮或直線箍縮。在與等離子體的熱壓強(qiáng)平衡時(shí)，平均壓強(qiáng)為(2-9)p=8nC其中I為總電流，a為放電柱半徑。這一公式又稱為Bennett關(guān)系，早在1934年就已導(dǎo)出。箍縮現(xiàn)象研究一般使用脈沖大電流放電。在兩電極間加直流高電壓擊穿后，就會觀察到放電和箍縮現(xiàn)象。放電箍縮后，形成高溫高密度等離子體，然后再膨脹。初期所用于Z箍縮的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2-31所示。在實(shí)驗(yàn)技術(shù)上，這類箍縮裝置屬于快脈沖放電，為了在最短時(shí)間里得到盡量大的電流，主要關(guān)鍵是減少回路電感。一般回路電感要求在10nH量級，儲能為105-106J,電壓為100kV左右，放電電流可達(dá) MA量級。因?yàn)榉烹婋娏鳑Q定于電容儲能

48、和回 路電感。為此，須使用同軸電纜或平面?zhèn)鬏敯逵趥鬏?，用特制的大容量快速開關(guān)做開關(guān)。一般使用幾十kV的低電感儲能電容器做儲能。放電時(shí)間在幾十到幾百微秒。正因?yàn)檫@一放電在技術(shù)上很容易，在聚變研究初期都采用 Z箍縮方案。但是這樣的放電等離子體有兩個(gè)明顯的缺點(diǎn)。一是經(jīng)常發(fā)生磁流體不穩(wěn)定性，特別是扭曲不穩(wěn)定性和臘腸 不穩(wěn)定性。二是電極放電會產(chǎn)生大量金屬雜質(zhì)。其輻射能量損失會降低等離子體溫度。也 曾嘗試外加軸向磁場增加穩(wěn)定性。但這類Z箍縮日后未得到很大發(fā)展。補(bǔ)球開關(guān)同軸蛙亠常能電睜=放電室敝電電機(jī);氣口抽豈口電流等離子圖2-32角向箍縮裝置圖2-31 Z箍縮裝置角向箍縮另一箍縮方案是利用角向電流的箍縮效

49、應(yīng)。因?yàn)榻窍螂娏鞑荒苡霉腆w電極擊穿形成， 須用感應(yīng)的方法。實(shí)驗(yàn)中用一置于絕緣的放電管(玻璃或陶瓷)外的單匝角向線圈，即是 一個(gè)導(dǎo)體圓筒開有縱向割縫。單匝為減小自感。當(dāng)脈沖電流流過線圈時(shí)，在放電管內(nèi)感應(yīng) 了軸向磁場，這一變化磁場當(dāng)即產(chǎn)生環(huán)向電場將氣體擊穿，形成與線圈內(nèi)電流方向相反等 離子體電流。這軸向磁場壓迫放電電流向中心運(yùn)動，稱為角向箍縮，或theta(B ) pinch。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)裝置中，為了使放電管內(nèi)的磁通變化達(dá)到最大，先用一組容量較小的電容 器放電產(chǎn)生反向的偏磁場，然后用一組容量更小電壓高的電容器放電使氣體預(yù)電離，產(chǎn)生 弱電離等離子體。然后進(jìn)行主放電。急劇變化的軸向磁通首先在接近管壁的地

50、方產(chǎn)生電流 鞘并自行歐姆加熱。高電導(dǎo)的等離子體鞘將主放電產(chǎn)生的磁場屏蔽在鞘以外，并在磁場作 用下，向中心壓縮，產(chǎn)生激波進(jìn)一步加熱。最后在軸附近形成高溫高壓的等離子體。角向箍縮類型的聚變裝置在 I960年代在美國的Los Alamos取得了一些成功。在國際上 和我國，都是在角向箍縮裝置上首先觀察到熱核聚變中子的(分別在1958年和1969年)。但是，角向箍縮依然是一種開放磁力線的裝置，終端損失是主要損失機(jī)構(gòu)。為了減少終端 損失，又發(fā)展了環(huán)形的箍縮裝置。環(huán)形的箍縮可以是Z箍縮，電流沿環(huán)方向，可以由變壓器產(chǎn)生。為了解決宏觀不穩(wěn)定性問題，有的裝置引進(jìn)環(huán)向磁場。這樣一來，其磁場位形就接 近托卡馬克了，但

51、與極向磁場相比，其環(huán)向磁場較弱，所得到的比壓值較托卡馬克高(在 20%以上)，可以稱為高比壓托卡馬克。環(huán)形箍縮也可以是角向箍縮。為解決穩(wěn)定性問題，又提出用類似仿星器螺旋繞組的線 圈在環(huán)向和軸向都產(chǎn)生感應(yīng)磁場。這樣的裝置稱為螺旋箍縮(screw pinch )。這種螺旋箍縮的小截面也可以在與環(huán)垂直方向拉長，像一個(gè)環(huán)形皮帶，稱為帶狀箍縮(belt pinch )，可以得到較高的比壓。1960年代，東北技術(shù)物理研究所先后簡稱角向一號和角向二號兩臺角向箍縮裝置。在 此基礎(chǔ)上，核工業(yè)西南物理研究院又研制了儲能60kJ的角向三號和一臺螺旋箍縮裝置。1969年在中國科學(xué)院物理研究所研制了儲能100kJ的角向

52、箍縮裝置。2, 反場箍縮以上所述的幾種箍縮裝置類型在1970年代末期均遇到一些困難。真正得到發(fā)展的是一種反場位形(reversed field configuration )。對這種位形的研究始于英國的ZETA (Zero EnergyToroidal Assembly )裝置。它建于1950年代，可能是第一個(gè)大型環(huán)形聚變裝置。它是一個(gè) 環(huán)形Z箍縮裝置，大半徑1.6m，外加環(huán)向磁 場800GS,并用接近等離子體的導(dǎo)體穩(wěn)定扭 曲模。在這一裝置上用變壓器產(chǎn)生可達(dá) 180kA的環(huán)向電流。在ZETA上觀察到一種自然發(fā)生的反場Ht Reversed圖2-33 在ZETA上觀察到的縱向 磁場反向現(xiàn)象位形就

53、是在邊緣處的縱向磁場和中心處磁場反向。其原因是在等離子體的發(fā)展中進(jìn)入湍流 態(tài)。而湍流態(tài)的弛豫遵從兩個(gè)定律。一個(gè)是總縱向磁通守恒。這在存在導(dǎo)體殼的條件下容 易理解。第二個(gè)定律是總磁螺旋度守恒。反場箍縮的磁場位形類似托卡馬克，但極向場和環(huán)向場強(qiáng)度接近。由于邊緣處有強(qiáng)的 磁場剪切穩(wěn)定磁流體不穩(wěn)定性，可以做到高的比壓。理論計(jì)算表明，只憑歐姆加熱和銅線 圈可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火。其缺點(diǎn)是放電時(shí)間太短。這種類型裝置一直在穩(wěn)步發(fā)展。其能量約束時(shí) 間已接近托卡馬克的定標(biāo)。典型裝置有美國Wisconsin大學(xué)的MST ( Madison SymmetricTorus)和位于意大利 Podova 的 RFX ( Rever

54、sed Field Experiment )。磁螺旋度(helicity )定義為其中B = ? xA, A為磁場的矢量勢。再引進(jìn)表量勢0,E = -?°-?A?t以及Maxwell定(2-10)律，得到?(A?B = ?A?B+ A?B =(-己-? o?B- Aq?罔?t?t?t=-E?Bf- ? ?(B)- ? qA星)-E?(? xA)(2-11)=-? q(B +己 xA) - 2己?B如果邊界處為良導(dǎo)體，從邊條件 Ev?M = 0和己xV = 0，上式第一項(xiàng)的體積分化為面積分為零。第二項(xiàng)積分后用歐姆定律E + v xEV = ，得到(2-12)其中n為電阻率，對于良導(dǎo)體等

55、于零。所以，如果等離子體也是良導(dǎo)體時(shí)，磁螺旋度守恒。如果等離子體不是良導(dǎo)體，會發(fā)生磁力線重聯(lián)現(xiàn)象，局部螺旋度會變化，使等離子體 弛豫到更穩(wěn)定的狀態(tài)。J.B.Taylor討論了這個(gè)過程，認(rèn)為等離子體會保持總螺旋度不變，弛豫到最小能態(tài)。這個(gè)最小能態(tài)是無作用力場(force-free field )，用以下公式表示? xB-世=0(2-13)這樣的場形態(tài)中，電流和磁場同方向，動力壓強(qiáng)為零，故有此名。對于常數(shù)的入值，這個(gè)方程有一個(gè)軸對稱的解Br=0,Be =B°J1(Ar),Bz=B0 J0( Ar)( 2-14)這個(gè)解接近ZETA和其它反場位形中形成的場分布。但是后來在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，入不完全

56、是一個(gè)常數(shù)，它在接近邊界時(shí)逐漸減小，直到邊界處為零。這種反場位形使磁場有很大空間梯度。這梯度對磁流體不穩(wěn)定性有穩(wěn)定作用。實(shí)驗(yàn)上 也得到較好的約束。除去像 ZETA那樣自發(fā)產(chǎn)生反向場以外，還可以用程序的方法產(chǎn)生需要 的反向場。4，Z-箍縮的新時(shí)代Z箍縮作為最早的聚變實(shí)驗(yàn)裝置類型，在沉寂了多年后，在1990年代后又引起普遍的重視。它的進(jìn)步來自兩方面。一是脈沖放電技術(shù)的進(jìn)步，二是爆炸絲的使用。但是研究目的 已不是直接提供聚變等離子體，而是提供高通量的X射線。所謂爆炸絲又叫爆炸導(dǎo)線，也是一種早期研究等離子體的實(shí)驗(yàn)方法。當(dāng)大功率的脈沖 電流流經(jīng)一段導(dǎo)線時(shí)，瞬間產(chǎn)生的熱量使導(dǎo)線汽化而成等離子體，并繼續(xù)保持導(dǎo)電的功能。實(shí)驗(yàn)表明，用中空的脈沖充氣或薄的金屬套筒進(jìn)行放電能很好地克服磁