核聚變與等離子體物理 第二章2

磁約束聚變一、磁約束聚變裝置的分類從形態(tài)上可分為開(kāi)端裝置和環(huán)形裝置兩類。開(kāi)端裝置的代表為磁鏡，環(huán)形裝置有托卡馬克、仿星器、球形托卡馬克。從時(shí)間尺度上看，還有一種稱為快過(guò)程的裝置，它的代表是箍縮類裝置，如直線箍縮（Z箍縮）、角向箍縮（θ箍縮）和反場(chǎng)箍縮?？赡苁黔h(huán)形的也可能是直線形的。還有一類裝置稱為緊湊環(huán)，主要有場(chǎng)反位形、球馬克。按放電時(shí)間和等離子體位形將不同類型的裝置分類二、托卡馬克（tokamak，帶真空室的環(huán)形磁場(chǎng)）第一部分為環(huán)向磁場(chǎng)線圈，它們?cè)谝画h(huán)軸上分排列，產(chǎn)生強(qiáng)的環(huán)向磁場(chǎng)，對(duì)等離子體起約束和穩(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(jí)，產(chǎn)生變化磁通，感應(yīng)一個(gè)環(huán)向電動(dòng)勢(shì)，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(jí)，在其中流過(guò)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(chǎng)和外加環(huán)向磁場(chǎng)合成為螺旋磁力線，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)變換，消除因磁場(chǎng)漂移引起的電荷分離，避免因此引起的粒子損失。1、基本組成第三部分為部分極向場(chǎng)線圈，產(chǎn)生用于維持等離子體平衡的垂直場(chǎng)。第四部分為真空室及抽氣系統(tǒng),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，環(huán)形真空室位于環(huán)向場(chǎng)線圈之內(nèi)，一般由兩半組成，以利于安裝。只靠環(huán)向場(chǎng)和角向場(chǎng)還不足以約束住托卡馬克中的等離子體，這是因?yàn)榻窍虼艌?chǎng)存在梯度，粒子在這個(gè)梯度的影響下會(huì)發(fā)生漂移，離開(kāi)平衡位置而丟失。為了克服角向磁場(chǎng)梯度的影響，可以采取以下兩種方法：（1）利用封閉等離子體的環(huán)形銅殼中所產(chǎn)生的感應(yīng)電流，產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)的基本垂直于環(huán)赤道面的Bv；（2）采用由外部線圈來(lái)產(chǎn)生垂直于環(huán)的赤道面的磁場(chǎng)。zz殼體等離子體R像電流BvBv等離子體RRR總角向場(chǎng)外加Bv場(chǎng)線圈綜上所述，由于存在熱膨脹力和磁場(chǎng)從環(huán)中心向環(huán)外側(cè)的磁場(chǎng)梯度所產(chǎn)生的磁壓力，等離子體被向外推。而垂直場(chǎng)的作用是產(chǎn)生一個(gè)向內(nèi)的推力，保持等離子體的平衡。極向場(chǎng)線圈產(chǎn)生用于維持等離子體平衡的垂直場(chǎng)。2、磁場(chǎng)位形有的特點(diǎn)：剪切回轉(zhuǎn)變換角：磁力線繞大環(huán)一周后繞小圓的角度剪切：回轉(zhuǎn)變換角隨小半徑的變化稱剪切。產(chǎn)生剪切的原因：角向場(chǎng)在環(huán)的橫截面中心處磁場(chǎng)強(qiáng)度最小，在等離子體邊緣處最大，而環(huán)向磁場(chǎng)在沿著環(huán)的橫截面上變化緩慢，于是繞環(huán)的螺旋磁力線的螺旋距隨著離開(kāi)環(huán)的橫截面中心處的距離發(fā)生變化?？偞艌?chǎng)在環(huán)的橫截面中心處磁場(chǎng)強(qiáng)度最小，在橫截面等離子體邊緣磁場(chǎng)強(qiáng)度最大?？傮w來(lái)說(shuō)，磁場(chǎng)呈現(xiàn)磁井形態(tài)，等離子體在磁井內(nèi)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間大于在磁井外運(yùn)行的時(shí)間。只要粒子繞環(huán)運(yùn)動(dòng)速度足夠快，磁力線的旋轉(zhuǎn)變換足夠大，則等離子體能夠穩(wěn)定。1425363、安全因子：一條磁力線繞小截面一周后在大環(huán)方向的環(huán)繞圈數(shù)（平均值），描述偏斜的程度。其中：

代入可得：Ip(r)為該磁面內(nèi)的等離子體電流總和。如果是均勻分布，IP(r)∝r

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，安全因子與小半徑無(wú)關(guān)。一般的等離子體電流輪廓都是中間高，所以安全因子是從內(nèi)到外逐漸增大。從安全因子的表示上看，我們總希望用最小的磁場(chǎng)達(dá)到最大的電流，所以我們總希望降低安全因子。在一般的托卡馬克上，等離子體表面的安全因子值q(a)在2-3以上。進(jìn)一步降低這一表面q值會(huì)引起不穩(wěn)定性。這就是安全因子一詞的由來(lái)。4、特點(diǎn)在物理上，由于極向場(chǎng)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：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(guò)程決定。電阻分布決定等離子體電流的徑向分布等離子體參數(shù)（溫度、密度、雜質(zhì)含量）決定等離子體電阻等離子體參數(shù)決定于加熱和輸運(yùn)過(guò)程。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(zhǎng)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(chǔ)能系統(tǒng)。不用變壓器的電流驅(qū)動(dòng)方法也是有的，就是使用波驅(qū)動(dòng)或中性粒子注入。但這需要很復(fù)雜的電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，會(huì)提高聚變堆的成本。第二，托卡馬克是通過(guò)電流對(duì)等離子體加熱的。加熱功率密度為ηj2，其中η為電阻率，j為電流密度。按照Spitzer電阻公式η∝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(jiǎn)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(chǎng)、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(jí)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(duì)聚變堆建造所需條件作出預(yù)測(cè)，就是長(zhǎng)期以來(lái)托卡馬克途徑的發(fā)展軌跡。5、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。（1）宏觀問(wèn)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(duì)宏觀過(guò)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。（2）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(dòng)形態(tài)的新經(jīng)典輸運(yùn)水平，稱為反常輸運(yùn)。近年來(lái)的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究已證實(shí)反常輸運(yùn)來(lái)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(guò)程）、輸運(yùn)方程的非對(duì)角項(xiàng)（能量、粒子、角動(dòng)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(dòng)模式對(duì)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(wèn)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高能中子的轟擊。中子穿過(guò)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(cè)試是必須進(jìn)行的。6、環(huán)流器的發(fā)展至今經(jīng)歷了四代第一代：T-1和T-2裝置，磁場(chǎng)不精確，等離子體中的雜質(zhì)過(guò)多。T-3裝置，鐵心變壓器真空系統(tǒng)采用可烘烤的不銹鋼，采用銅殼和外加垂直場(chǎng)結(jié)合，等離子體位置準(zhǔn)確，雜質(zhì)少，溫度達(dá)到1keV。第二代：儲(chǔ)能在千萬(wàn)焦耳至億焦耳，離子溫度

，，采取二次加熱手段，在TFR裝置上，采用中性粒子注入，達(dá)到2keV。第三代：指標(biāo)達(dá)到（在無(wú)二次加熱的情況下），，在PLT上采取中性粒子注入，離子溫度。第四代：儲(chǔ)能都在109J左右，都在近點(diǎn)火區(qū)。盡管約束等離子的參數(shù)在不斷地提高，但仍然存在著許多問(wèn)題和困難，如β值很低，不能穩(wěn)定運(yùn)行，二次加熱的功率要求很大。托卡馬克取得參數(shù)的進(jìn)展及我國(guó)裝置的地位，EAST為預(yù)計(jì)能達(dá)到指標(biāo)我國(guó)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，中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所的HT-7和EAST。7、我國(guó)托卡馬克裝置現(xiàn)狀HL-2A為我國(guó)第一個(gè)有偏濾器的托卡馬克。它的真空室和磁場(chǎng)線圈來(lái)自德國(guó)的ASDEX。HT-7裝置的主體來(lái)自俄羅斯的