磁约束聚变原理

1、等离子体的磁约束等离子体的约束方法聚变的主要问题1. 物理方面：高密度高密度等离子体的获得高温度高温度等离子体的获得，即加热等离体到10eV的高温高约束时间高约束时间2. 工程方面：中子中子的处理氚氚的获得及循环利用第一壁第一壁（面向等离子体的材料）材料的寿命能量能量的有效提取及利用Room temperature=1/40 eV0.6 eV5 eV1.5 keV10 keV for DT fusionplasma等离子体的磁约束原理等离子体的磁约束原理Bv|不受力不受力 粒子作匀速直线运动粒子作匀速直线运动 Bv粒子作匀速圆周运动粒子作匀速圆周运动 qBmvRTqBmvRRmvqvBF22,

2、2mq荷荷质质比比任任意意),(Bv粒子作螺旋线粒子作螺旋线 cos2cos,sinvqBmTvhqBmvREqBvqF带电粒子在非均匀磁场中的运动带电粒子在非均匀磁场中的运动 如图正带电粒子处于磁感应线所在位置，如图正带电粒子处于磁感应线所在位置， v B ； 此时，粒子受洛仑兹力此时，粒子受洛仑兹力F B，F=F|+F F 提供向心力，提供向心力，F|指向磁场减弱的方向指向磁场减弱的方向 粒子也将作螺旋运动，但并非等螺距，回旋半径也粒子也将作螺旋运动，但并非等螺距，回旋半径也会改变会改变回旋半径回旋半径因磁场减因磁场减弱而增大，弱而增大，同时，还同时，还受到指向受到指向磁场减弱磁场减弱方向

3、的作方向的作用力用力v B回旋半径回旋半径因磁场增因磁场增强而减小，强而减小，同时，还同时，还受到指向受到指向磁场减弱磁场减弱方向的作方向的作用力用力带电粒子在非均匀磁场中的运动带电粒子在非均匀磁场中的运动1. 回旋半径因磁场增强而减小，同时，还受到指向磁场回旋半径因磁场增强而减小，同时，还受到指向磁场减弱方向的作用力减弱方向的作用力2. 回旋半径因磁场减弱而增大，同时，还受到指向磁场回旋半径因磁场减弱而增大，同时，还受到指向磁场减弱方向的作用力减弱方向的作用力磁境0,|vvWWB；|WWW总动能总动能粒子在强磁场区受到指向弱磁场方向的力，向弱磁粒子在强磁场区受到指向弱磁场方向的力，向弱磁场方

4、向运动场方向运动“反射反射”到中央，被约束在到中央，被约束在两镜之间两镜之间洛仑兹力不做功，洛仑兹力不做功，W也不变也不变受指向弱磁场受指向弱磁场方向的力方向的力地磁场地磁场天然的磁镜捕集器天然的磁镜捕集器 范范.阿伦辐射带阿伦辐射带由地磁场所俘获的带电由地磁场所俘获的带电粒子（绝大部分为质子和电子）组成粒子（绝大部分为质子和电子）组成磁境装置的缺点磁境装置的缺点： 总有一部分纵向速度较大的粒子会从两端逃掉如何克服磁境装置的缺点？平行载流导线相互吸引箍缩力：一束电流流向相同的导线互相吸引，箍缩在一起截面图提供约束的箍缩力 箍缩力可以将平等导线束缚在一起 如果导线被载有电流的等离子体代替，那么箍

5、缩力就将等离子体束缚在一起 如果等离子体处于高温状态，与流体类似会产生一个向外的压力，如水 当向内的箍缩力与向外的压力相等时，等离子体就处于一个平衡状态Drawing from ORNL web siteToroidal directionPoloidaldirectionSource of fields in a tokamak:Toroidal magnetic field produced by external coilsPoloidal magnetic field produced by toroidal current in plasmaTypical magnetic fiel

6、d lineTokamak configurationRed arrows= outwards force due to pressureBlack arrows= inward magnetic pinch forceSmoke ring vortex from Magarvey and MacLatchey 1964If field line goes around toroidally many times and if q is not a rational number,then field line fills up a “magnetic surface” , equilibrium consists of nested toroidalmagnetic surfaces like this smoke ring vortexDensity and temperat