《核能和核電原理(磁約束聚變部分)》

1、磁約束聚變?cè)韕磁約束聚變的參數(shù)要求p磁約束基本過(guò)程p磁約束磁場(chǎng)位型l箍縮(pinch)和一維平衡l磁鏡裝置l環(huán)形磁場(chǎng)l磁面l二維平衡p磁約束等離子體約束與輸運(yùn)l磁場(chǎng)中粒子擴(kuò)散l玻姆擴(kuò)散和新經(jīng)典擴(kuò)散l湍流輸運(yùn)和剪切流l等離子體不穩(wěn)定性p托卡馬克（Tokamak）裝置l真空系統(tǒng)l磁體系統(tǒng)l電源系統(tǒng)l中央控制系統(tǒng)l數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)l診斷系統(tǒng)l輔助加熱系統(tǒng)l低溫系統(tǒng)l磁約束核聚變電站p磁約束聚變研究歷史23411120DTHe3.5MeV + n14.1MeV核聚變反應(yīng)：2133 10EnTm keVs 磁約束聚變的參數(shù)要求12ETn 242311.1 10,1020T m sTkeV勞森判據(jù)（點(diǎn)火條件

2、）:核聚變反應(yīng)截面:點(diǎn)火條件（三乘積）:20310,10,3EnmTkeVs能量增益:2154externalexternalnVPQPP 磁約束基本過(guò)程拉莫運(yùn)動(dòng),cLmqBrmqBp 平衡等離子體位置p 約束高密度等離子體p 加熱等離子體溫度1. 產(chǎn)生外加磁場(chǎng)2. 電離并長(zhǎng)時(shí)間約束高密度核聚變反應(yīng)物質(zhì)3. 加熱核聚變反應(yīng)物質(zhì)到10keV量級(jí)4. 大量產(chǎn)生核聚變反應(yīng)磁約束磁場(chǎng)位型箍縮(pinch)和一維平衡0uuuPjBPjBt 等離子體平衡條件箍縮A sketch of the -Pinch Equilibrium. The z directed magnetic field (shown

3、in purple) corresponds to a directed plasma current (shown in yellow) /wiki/Pinch_(plasma_physics)jB 0,000,0,zzjjrjr BrPBBr磁約束磁場(chǎng)位型箍縮(pinch)和一維平衡Z箍縮A sketch of the z-Pinch Equilibrium. A - directed magnetic field (shown in purple) corresponds to a z directed plasma current (show

4、n in yellow)/wiki/Pinch_(plasma_physics)jB 0,0,0,00zzjjrBBrjr BrP 螺旋箍縮(screw pinch) 0,0,0zzzzjjrjrBBrBrjr Brjr BrP磁約束磁場(chǎng)位型磁鏡裝置min0maxcBB速度損失錐磁約束磁場(chǎng)位型環(huán)形磁場(chǎng)仿星器位型托卡馬克位型靜電漂移磁約束磁場(chǎng)位型磁面00( , , ),( , , )coscossinRZrRRrzRrZr ，l研究托卡馬克物理的兩個(gè)坐標(biāo)系l托卡馬克的磁場(chǎng)位形l托卡馬克的磁場(chǎng)位形磁約束磁場(chǎng)位型磁面磁約束磁場(chǎng)位型磁面l磁力線不相交，形成嵌

5、套的閉合拓?fù)洵h(huán)面，稱為磁面l有理面，無(wú)理面l磁面上，T，n，P相等l電流在磁面上=0=0jBPBjBBPBPjP 磁約束磁場(chǎng)位型二維平衡j B等離子體在環(huán)形磁場(chǎng)中的受力：磁壓力熱壓力熱張力垂直場(chǎng)平衡等離子體：磁約束等離子體約束與輸運(yùn)磁場(chǎng)中粒子擴(kuò)散2mKTDm:2LrD: 0nuqPqKTmnuuqnEPmn uuEEtmmnmmn 磁約束等離子體約束與輸運(yùn)磁場(chǎng)中粒子擴(kuò)散2LierD:磁約束等離子體約束與輸運(yùn)玻姆擴(kuò)散和新經(jīng)典擴(kuò)散116eKTDeB玻姆擴(kuò)散率26BDms425.5 10Dms1T，100eV下：磁約束等離子體約束與輸運(yùn)湍流輸運(yùn)和剪切流W.M.Tang2005PPCFp 等離子體不穩(wěn)

6、定性引起漲落p 湍流由等離子體漲落引起p 湍流增強(qiáng)等離子體徑向輸運(yùn)p 剪切流消弱湍流輸運(yùn)磁約束等離子體約束與輸運(yùn)等離子體不穩(wěn)定性泰勒不穩(wěn)定性磁約束等離子體約束與輸運(yùn)等離子體不穩(wěn)定性靜電不穩(wěn)定性電磁不穩(wěn)定性托卡馬克裝置主機(jī)主體真空系統(tǒng)磁體系統(tǒng)主機(jī)外圍電源系統(tǒng)中央控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)診斷系統(tǒng)輔助加熱系統(tǒng)低溫系統(tǒng)托卡馬克裝置真空系統(tǒng)真空室p 真空室是托卡馬克裝置的核心部分，對(duì)于反應(yīng)堆來(lái)說(shuō)，就是聚變反應(yīng)產(chǎn)生的反應(yīng)室。p 保證聚變反應(yīng)所必需的較純潔的本底真空及反應(yīng)氣體環(huán)境，真空度小于1e-5Pa。p 面對(duì)強(qiáng)烈的等離子體和壁的相互作用，要求很高，不同于一般的真空設(shè)備。p 采用金屬材料制造，一般采用無(wú)磁不銹

7、鋼材料。優(yōu)點(diǎn)：其表面對(duì)氣體的吸附量小，本身電阻較大。 缺點(diǎn)：本身是導(dǎo)體，與裝置磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互耦合，延遲外場(chǎng)對(duì)等離子體的作用。第一壁材料面對(duì)高能量的等離子體粒子的轟擊，第一壁材料需要有如下特性：p 耐高溫，不易氣化和溶化p 放氣率低，不會(huì)破壞真空p 低吸附性，對(duì)反應(yīng)物質(zhì)吸附性低p 原子數(shù)低，引起雜質(zhì)輻射少軔致輻射321/235 10(/)bezePZ n n TWm 石墨、鋰、硼、鎢托卡馬克裝置真空系統(tǒng)限制器位型托卡馬克裝置真空系統(tǒng)偏濾器位型抽氣系統(tǒng)機(jī)械泵：即機(jī)械旋片泵，常用作粗真空系統(tǒng)，或高真空系統(tǒng)的前級(jí)泵。分子泵：由串聯(lián)的高速旋轉(zhuǎn)的金屬扇葉組成。扇葉間距離很小，小于氣體分子的平均自由程。

8、所以氣流呈分子流，故名分子泵。分子泵的工作氣壓最高為1Par，極限氣壓可達(dá)10-7Par。低溫泵：低溫泵是利用低溫表面冷凝氣體的真空泵，又稱冷凝泵。托卡馬克裝置真空系統(tǒng)加料系統(tǒng)加料系統(tǒng)，指實(shí)驗(yàn)裝置中工作氣體的饋入，在反應(yīng)堆中指反應(yīng)物質(zhì)的饋入。脈沖送氣最簡(jiǎn)單的送氣，送氣部件是壓電晶體閥，響應(yīng)時(shí)間為毫秒量級(jí)。但中性粒子在等離子體邊緣區(qū)就被電離約束，不能對(duì)等離子體中心區(qū)直接加料。 超聲分子束它使用了一種稱為L(zhǎng)aval的噴咀。當(dāng)具有一定壓力差的氣體從一個(gè)小孔噴出時(shí)，在小孔低壓側(cè)一定范圍內(nèi)可形成一個(gè)超聲分子束，其速度可達(dá)每秒幾百米。彈丸注入這是一種能有效進(jìn)行中心區(qū)加料的技術(shù)，即向等離子體注入冷凍的氫或氘

9、丸。氣體被冷凍為固態(tài)的圓柱體，然后截?cái)喑梢欢ㄩL(zhǎng)度的彈丸，用壓縮氣體射入托卡馬克真空室，速度從每秒幾百米到幾千米。托卡馬克裝置真空系統(tǒng)托卡馬克裝置磁體系統(tǒng) 環(huán)向場(chǎng)線圈環(huán)向(磁)場(chǎng) 極向場(chǎng)線圈垂直(磁)場(chǎng)水平(磁)場(chǎng) 快控場(chǎng)線圈 校正場(chǎng)線圈環(huán)向場(chǎng)線圈01N IB dlRNIB20BB/fNIRaRRNIrRdrdrNIdsRNIa0022000200000)(cos22fRNINL020安培定律磁場(chǎng)均勻時(shí)的積分分立線圈產(chǎn)生波紋度圓線圈總磁通圓線圈自感形狀因子托卡馬克裝置磁體系統(tǒng)在一些大的裝置中，環(huán)向場(chǎng)線圈往往做成D形。這也和大裝置中的等離子體截面在垂直方向拉長(zhǎng)相適應(yīng)。很強(qiáng)的環(huán)向場(chǎng)（一般大于5 Te

10、sla）可以用超導(dǎo)線圈提供。超導(dǎo)磁體是穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)的，適于研究托卡馬克的長(zhǎng)脈沖運(yùn)行和穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)。 托卡馬克裝置磁體系統(tǒng)環(huán)向場(chǎng)線圈極向場(chǎng)線圈: 垂直(磁)場(chǎng) 水平(磁)場(chǎng)快控場(chǎng)線圈托卡馬克裝置磁體系統(tǒng)校正場(chǎng)線圈誤差（雜散）場(chǎng)來(lái)源：p 加工和安裝誤差p 引線p 不對(duì)稱構(gòu)件托卡馬克裝置磁體系統(tǒng)脈沖縱場(chǎng)磁體電源： 電容儲(chǔ)能（電能） 電感儲(chǔ)能（磁能） 飛輪機(jī)組（機(jī)械能）托卡馬克裝置電源系統(tǒng)電容儲(chǔ)能電感儲(chǔ)能飛輪儲(chǔ)能托卡馬克裝置電源系統(tǒng)飛輪儲(chǔ)能托卡馬克裝置電源系統(tǒng)托卡馬克裝置中央控制系統(tǒng)托卡馬克裝置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)托卡馬克裝置診斷系統(tǒng)p 磁測(cè)量l等離子體電流l等離子體位置p 探針診斷l(xiāng)邊界等離子體參數(shù)p 粒子散射診斷

11、l芯部等離子體參數(shù)p 粒子測(cè)量l邊界粒子種類p 光子散射/折射/吸收l(shuí)芯部等離子體參數(shù)托卡馬克裝置輔助加熱系統(tǒng)歐姆加熱中性束加熱射頻波加熱托卡馬克裝置低溫系統(tǒng)pEAST 裝置的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)由 NbTi/Cu 復(fù)合超導(dǎo)材料加工成。p超導(dǎo)磁體采用超臨界氦迫流冷卻，縱場(chǎng)繞組和極向場(chǎng)的工作溫度為3.8K,縱場(chǎng)線圈盒和楔塊的工作溫度為4.5K。托卡馬克裝置磁約束核聚變電站原理托卡馬克裝置磁約束核聚變電站設(shè)想圖超導(dǎo)線圈超導(dǎo)線圈冷卻劑冷卻劑電力傳輸線電力傳輸線發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)組熱交換器熱交換器熱水熱水超高真空泵超高真空泵包層包層等離子體加熱系統(tǒng)等離子體加熱系統(tǒng)等離子體等離子體熱量熱量在包層中，中子的能在包層中

12、，中子的能量轉(zhuǎn)換為熱，鋰轉(zhuǎn)化量轉(zhuǎn)換為熱，鋰轉(zhuǎn)化為氚為氚將熱量取出后，將熱量取出后，其他技術(shù)與現(xiàn)其他技術(shù)與現(xiàn)在的電站完全在的電站完全一樣一樣磁約束聚變研究歷史19521952年，美國(guó)第一次年，美國(guó)第一次SherwoodSherwood方案會(huì)議在方案會(huì)議在DenverDenver舉行。在以后幾年里，發(fā)展了仿星器、舉行。在以后幾年里，發(fā)展了仿星器、磁鏡、箍縮等裝置。磁鏡、箍縮等裝置。19571957年，英國(guó)環(huán)形箍縮裝置年，英國(guó)環(huán)形箍縮裝置ZETAZETA運(yùn)行。運(yùn)行。19581958年，國(guó)際和平利用原子能會(huì)議在日內(nèi)瓦召開。各主要國(guó)家將聚變研究解密。年，國(guó)際和平利用原子能會(huì)議在日內(nèi)瓦召開。各主要國(guó)家將聚

13、變研究解密。19611961年，年，IAEAIAEA第一次國(guó)際核聚變會(huì)議在薩爾茨堡召開。第一次國(guó)際核聚變會(huì)議在薩爾茨堡召開。 19641964年，蘇聯(lián)研制年，蘇聯(lián)研制T-3T-3裝置，大半徑裝置，大半徑1m1m，環(huán)向磁場(chǎng)，環(huán)向磁場(chǎng)2-2.5Tesla2-2.5Tesla，電子溫度達(dá)到，電子溫度達(dá)到600-800eV600-800eV。19681968年，蘇聯(lián)在新西伯利亞會(huì)議上公布托卡馬克上的結(jié)果。年，蘇聯(lián)在新西伯利亞會(huì)議上公布托卡馬克上的結(jié)果。19691969年，英國(guó)年，英國(guó)CalhamCalham實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家攜激光散射測(cè)量裝置去蘇聯(lián)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家攜激光散射測(cè)量裝置去蘇聯(lián)T-3T-3裝置實(shí)地

14、測(cè)量，證裝置實(shí)地測(cè)量，證實(shí)確實(shí)達(dá)到很高的電子溫度。實(shí)確實(shí)達(dá)到很高的電子溫度。 19701970年，各國(guó)開始建造自己的托卡馬克。年，各國(guó)開始建造自己的托卡馬克。19741974年，美國(guó)公布角向箍縮裝置年，美國(guó)公布角向箍縮裝置ScyllacScyllac的結(jié)果。的結(jié)果。19791979年，美國(guó)串列磁鏡年，美國(guó)串列磁鏡TMXTMX成功驗(yàn)證串列磁鏡概念。成功驗(yàn)證串列磁鏡概念。磁約束聚變研究歷史1985年，蘇美首腦建議合作建造國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)堆，即年，蘇美首腦建議合作建造國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)堆，即ITER1989年，德國(guó)年，德國(guó)ASDEX實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)H模運(yùn)轉(zhuǎn)。模運(yùn)轉(zhuǎn)。1990年，年，ITER完成概念設(shè)計(jì)完成概念設(shè)計(jì)19

15、91年，歐洲的年，歐洲的JET裝置用裝置用DT反應(yīng)產(chǎn)生反應(yīng)產(chǎn)生1.7MW聚變功率。聚變功率。1993年，美國(guó)年，美國(guó)TFTR裝置用裝置用DT反應(yīng)產(chǎn)生反應(yīng)產(chǎn)生6.4MW聚變功率，后來(lái)又將這一功率提高到聚變功率，后來(lái)又將這一功率提高到10.7MW。1997年，年，JET又創(chuàng)造了又創(chuàng)造了DT反應(yīng)產(chǎn)生反應(yīng)產(chǎn)生16.1MW聚變功率的新記錄。聚變功率的新記錄。1998年，日本年，日本JT-60裝置的裝置的DD反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)的等效反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)的等效DT反應(yīng)能量增益因子反應(yīng)能量增益因子Q達(dá)到達(dá)到1.25；ITER完成工程設(shè)計(jì)完成工程設(shè)計(jì) 2005年，參加年，參加ITER計(jì)劃六方?jīng)Q定將裝置建在法國(guó)計(jì)劃六方?jīng)Q定

16、將裝置建在法國(guó)磁約束聚變研究歷史磁約束核聚變主要裝置磁約束聚變研究歷史ITER磁約束聚變研究歷史l1974年，CT-6托卡馬克在中國(guó)科學(xué)院物理研究所研制成功。稍后，一臺(tái)空心變壓器的托卡馬克HT-6B在合肥建成。l1984年，核工業(yè)西南物理研究院研制成功HL-1裝置。同年，中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所研制成功HT-6M裝置。l1991年，中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所將原蘇聯(lián)的T-7裝置改建為我國(guó)第一臺(tái)超導(dǎo)托卡馬克HT-7。l1994年，核工業(yè)西南物理研究院將HL-1改裝成HL-1M。l2002年，核工業(yè)西南物理研究院將原來(lái)德國(guó)的ASDEX裝置改建為HL-1A裝置。中國(guó)科學(xué)院物理研究所和清華大學(xué)合

17、作，建成一臺(tái)球形托卡馬克SUNIST。 l2007年，華中科技大學(xué)華中科技大學(xué)建成J-TEXT裝置，并投入實(shí)驗(yàn)運(yùn)行。l2007年，中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所建成大型超導(dǎo)托卡馬克EAST。中國(guó)磁約束核聚變研究進(jìn)展磁約束聚變研究歷史HL-2A 托卡馬克核工業(yè)部隸屬裝置核工業(yè)部隸屬裝置縱場(chǎng)縱場(chǎng):2.8 T等離子體電流等離子體電流:480 kA持續(xù)時(shí)間持續(xù)時(shí)間:3.0 s等離子體密度等離子體密度:6.0 x 1019 m-3電子溫度電子溫度: 2.0 keV離子溫度離子溫度: 800 eV加熱手段加熱手段:NBI等等磁約束聚變研究歷史縱場(chǎng)縱場(chǎng) 3.5 T等離子體電流等離子體電流 1-1.5 MA大半徑大半徑 1.7 m 小小半徑半徑 0.4 m 大小大小半徑比半徑比 4.25 拉長(zhǎng)拉長(zhǎng) 1.6-2 三角形三角形0.6-0.8加熱加熱及