核聚變與托卡馬克裝置簡介

1、核聚變與托卡馬克裝置簡介核聚變反應(yīng)托卡馬克裝置中磁場位形簡介1原子核的結(jié)合能是研究核聚變能源的出發(fā)點:上式中,A是核子數(shù),Z是質(zhì)子數(shù)最早發(fā)現(xiàn)核聚變反應(yīng)可以放出能量的是F.W.Aston,他用愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系公式計算了 和 的質(zhì)量2當(dāng)前,核聚變從獲取能源的角度來看,主要有如下幾種反應(yīng):3發(fā)生核聚變反應(yīng)的必備條件:高溫高密(溫度在10KeV以上)粒子的約束時間足夠長(秒量級)即應(yīng)達到勞森判據(jù)(LAWSON CRITERION): (解釋eV單位 , )4核聚變反應(yīng)中的能量平衡問題(power balance)以氘氚反應(yīng)為例,反應(yīng)中有大量的熱核反應(yīng)能放出(1/5由粒子攜帶,4/5由中子攜帶),而且

2、,在反應(yīng)的最初階段,還需要外界能量來維持反應(yīng)的進行,同時在反應(yīng)進行當(dāng)中伴隨著能量的損失.這樣它們之間在某個時刻出現(xiàn)一中能量平衡.用反應(yīng)功率表示的話,即:5聚變反應(yīng)中的點火問題(ignition)所謂實現(xiàn)點火即聚變反應(yīng)中產(chǎn)生足夠多的粒子,這些粒子的能量足以補償?shù)入x子體的能量損失以維持聚變反應(yīng)持續(xù)進行,無需外部的輔助加熱.在這種情況下,功率平衡公式就變?yōu)?6采用核聚變獲取能源的一些優(yōu)點:輕核聚變反應(yīng)中放出的能量是驚人的.如果將一升海水中的氘提取出來發(fā)生聚變反應(yīng)的話,相當(dāng)于充分燃燒300升汽油.原料儲量極為豐富.地球海水中蘊含大量的氘,如果開采使用,即使人類能源使用量逐年遞增,也可以供給幾百億年使用

3、放射性環(huán)境污染不嚴(yán)重,即使有污染的氚也是反應(yīng)的中間產(chǎn)物,容易處理.7在核聚變反應(yīng)中,反應(yīng)物在極高溫度狀態(tài)下會完全電離,變?yōu)檎w呈電中性的等離子狀態(tài),由于他們擴散的能力非常強烈,任何實物都無法承受如此高的溫度,因此必須采用特殊的方法將高溫等離子體約束住.使之順利的發(fā)生核聚變反應(yīng).在實際的約束方法中,通常有兩種:慣性約束磁約束 托卡馬克裝置(TOKAMAKS)8托卡馬克是一種環(huán)形等離子體約束裝置,它是利用磁場將高溫等離子體約束在一定的區(qū)域,使之達到勞森判據(jù)所要求的參數(shù)范圍.磁約束的基本原理磁場對等離子體的約束能力體現(xiàn)在磁場和等離子體間的相互作用力,它主要包括三個方面:磁場對等離子體中每個帶電粒子的

4、洛倫茲力由上面而產(chǎn)生的宏觀效果磁應(yīng)力由電流本身磁場產(chǎn)生的箍縮力9宏觀效果磁應(yīng)力:宏觀磁應(yīng)力是等離子體的整體感受到磁場給予的宏觀作用力磁應(yīng)力又叫做磁張力,它包括磁拉力和磁壓力.磁拉力是沿著磁力線方向的.磁壓力來自于相鄰的磁力線,它的方向垂直于磁力線,而且從磁力線密的一側(cè)指向磁力線疏的一側(cè).10箍縮力在等離子體中施加電場后,電子和離子在相反的方向加速,粒子通過碰撞損失掉電場方向的速度,最后在加速和碰撞損失之間達到一個平衡,維持一個穩(wěn)定的速度,形成等離子體電流,它可以看作由無數(shù)個細小的電流管組成,流向相同的電流管之間會有一個相互吸引.這種向中心的收縮趨勢稱之為箍縮效應(yīng)11托卡馬克裝置示意圖12環(huán)流器

5、中各方向磁場的建立環(huán)向磁場的建立角向磁場的建立平衡磁場13環(huán)流器中,等離子體會在環(huán)形真空室中快速旋轉(zhuǎn)而不和器壁接觸此時的提供洛倫茲力的環(huán)向磁場是由套在外面的數(shù)個環(huán)形磁體提供的角向磁場則是由等離子體電流產(chǎn)生的自發(fā)磁場.這兩個磁場在環(huán)形器中構(gòu)成如上圖所示的螺旋磁場,在回轉(zhuǎn)變換下,等離子體在環(huán)形真空室中運動.首先,環(huán)形等離子體是通過變壓器,對真空室中的氘氚混合氣體進行放電電離形成.14平衡磁場阿(位形控制磁場)在環(huán)形磁約束裝置中,等離子體還有一個保持平衡位置的問題.一個即使被約束的很好的等離子體環(huán),在熱膨脹力和磁場從環(huán)中心向外側(cè)磁壓力的作用下,也會向四周擴散,在極短的時間內(nèi)撞到真空環(huán)形器壁上.這比宏

6、觀磁流體不穩(wěn)定還危險的威脅,為此還要加上一個平衡磁場,把等離子體定位在真空室中間.為了實現(xiàn)這個目的,還要在外面加上一組平衡場線圈并通過電流產(chǎn)生垂直場,把等離子體向環(huán)內(nèi)推.(如下圖所示)1516由上面的分析可以看出,托卡馬克的環(huán)流器部分主要由環(huán)形真空室和三個磁場的線圈組成.反應(yīng)中應(yīng)特別注意的一些問題！.真空室在填充氘氚混合氣體之前,必須做成高真空狀態(tài). 因為即使少量雜質(zhì)的混入都會導(dǎo)致以下后果:增加等離子體的高度不穩(wěn)定性.(擴散增強,磁場約束效果變差)2 輻射增強,反應(yīng)能量降低無法達到核反應(yīng)所必須的溫度(10kev)17托卡馬克發(fā)展歷史托卡馬克(tokamaks)一詞起源于俄文 toroidaln

7、aya kamera magnitnaya Katushka意思為“環(huán)形室”(toroidal chamber)和“磁線圈”(magnetic coil)Tokamaks裝置起源于上世紀(jì)五十年代的前蘇聯(lián),同時期美歐也在大力發(fā)展期間發(fā)展的一個重要階段是注意了避免雜質(zhì)(impurity摻入的問題.這直接導(dǎo)致了60年代反應(yīng)溫度達到了1kev.70年代重點轉(zhuǎn)到了如何將約束時間從毫秒量級做進一步的提高.到了80年代18隨著大型托卡馬克裝置的出現(xiàn),約束時間提高到100ms,在隨后的試驗中發(fā)現(xiàn),當(dāng)?shù)入x子體最小半徑達到2m時,可以達到反應(yīng)所要求的時間秒量級.JET已經(jīng)做到了1.5m.此外70年代主要任務(wù)還有如何提高反應(yīng)溫度.到80年代早期已經(jīng)達到了幾個Kev.80年代出現(xiàn)的tokamaks主要有TFTR和JET.19到了90年代,又有幾個難點被先后攻克.其中包括可以用氘氚混合物代替氚做反應(yīng)物.可以產(chǎn)生更大的反應(yīng)能.例如在TFTR中,50-50的氘氚混合物產(chǎn)生了持續(xù)超過一秒的10MW的能量.當(dāng)前kokamaks中大部分問題已得到解決,