托卡马克装置原理1[1]

1、1托卡马克装置o 概述o 托卡马克工程o 托卡马克原理21,概述托卡马克装置环向等离子体电流产生极向磁场实现旋转变换，消除磁场不均匀造成的漂移和粒子损失电流和磁场：平行和反平行3托卡马克的复杂性电流产生极向磁场，实现旋转变换而电流轮廓是不能直接控制的，造成了物理的复杂性等离子体参数电流轮廓欧姆加热输运因果关系构成闭环，是一种自组织性4托卡马克的缺点o 欧姆加热的弱点：，温度增加是加热效率降低不能达到点火要求必须借助于辅助加热o 脉冲运行：欧姆变压器必然是脉冲运行的稳态运行需要非感应电流驱动o 聚变中子辐射造成的材料问题5托卡马克的发展模式定标律针对ELM, H模的能量约束时间定标律IPB98(

2、y,2)19. 078. 058. 097. 169. 041. 01915. 093. 0298,0562. 0MRPnBIaLtpyth6主要大中型托卡马克装置（国外）装置名称地点大半径(m)小半径(m)磁场(T)电流(MA)特点JT-60UJAERI3.41.14.22.5Q=1.25TFTRPrinceton2.40.85.02.2DT运行JETAbinhdon3.01.253.55.0DT运行DIII DGA1.670.672.11.6长截面T-10Kurchatov1.50.374.50.68Tore SupraCadarache2.370.84.52.0超导磁体ASDEX-UGa

3、rching1.650.53.91.4模FTUFrascati0.930.38.01.3强磁场TEXTOR94Julich1.750.462.80.8杂质问题TCVLausanne0.880.241.40.17截面形状7球形托卡马克的进展o 磁场利用率高o 高的比压和安全因子o 自然偏滤器位形o 无大的破裂o 材料问题更严重环径比A=R/a, A1.5称球形托卡马克球形托卡马克82,托卡马克工程：托卡马克装置的配置装置主体9环向场线圈l dBNI01RNIB20BB/fNIRaRRNIrRdrdrNIdsRNIa0022000200000)(cos22fRNINL020安培定律磁场均匀时的积分

4、分立线圈产生波纹度圆线圈总磁通圆线圈自感形状因子10形线圈（纯张力线圈）yyyk2/3)1 ( Cxkxdxy22lnln纯张力线圈方程解圆线圈受力上下对称，可以有级数解，形状接近形，和常数k有关11欧姆变压器dtdINLdtdE)0()(0tVdtt初级磁通变化产生电动势等离子体区的零场条件：需要配置外线圈NIR2INL变压器的伏秒数：反向磁化12铁芯变压器dtdIMdtdILIRdtdIMdtdILViippppppipiii0ppipipippipipiIRMLdtdIMLLdtdIMVppppliLIRdtdILNVU22NrLiNLMiip/plipLNLL2/初级和次级方程在方程中

5、使用漏感磁化电流产生的磁场：假设磁场垂直铁芯表面13平衡场（成形场）线圈理想的加热场和平衡场极向场系统平衡形态计算14误差矫正场误差（杂散）场来源：加工和安装误差，引线，不对称构件环向场极向场加热场平衡场矫正场垂直场水平场磁场系统击穿电场等值线：在水平场垂直场平面15磁体的类型常温磁体低温磁体超导磁体稳态磁体脉冲磁体低温超导高温超导16磁体的供电脉冲磁体电源：电容储能（电能）电感储能（磁能）飞轮机组（机械能）17真空室和抽气系统对真空系统的要求：，真空性能：超高真空：Pa，电气性能：高阻材料机械泵涡轮分子泵溅射离子泵真空室加料系统真空系统典型配置真空室内配置：偏滤器(diverter)：减少杂

6、质孔栏 (limiter)：减少等离子体和壁相互作用诊断传感器：诊断场环向场极向场渗透时间常数bd021bdbR0)28(ln18孔栏（limiter)和偏滤器(diverter)的偏滤器位形种孔栏和偏滤器极向环向束19不同装置上的偏滤器20等离子体分区核心区(core region)边缘区(boundary region)删削区(scrape-off layer)偏滤器区分支线(separatrix)21加料方法o 吹气(gas puffing)o 弹丸注入(pellet injection)o 超声分子束JT-60装置上的弹丸注入设备为什么要加料？，补充粒子损失，增加等离子体密度，补充燃烧

7、损失（堆）弹丸产生和加速技术22超声分子束注入技术Laval喷嘴和超声分子束注入分子束的电离和扩散23辅助加热和非感应电流驱动Spitzer电阻率)(/ln1065. 151. 02/392mohmTenmeeee例：Zeff=1.5, qaq0=1.5, A=R/a=3, Tmax=0.87Bt4/5 Bt=6 tesla, Tmax=3.6keV欧姆加热的缺点：加热方式频率（能量）功率效率ECRF28-170 GHz2.8 MW30-40 %ICRF25-120 MHz22 MW50-60 %LHRF1.3-8 GHz25 MW45-50 %NBI +80-140 keV40 MW35-45 %N