核聚变与托卡马克装置简介

1、核聚变与托卡马克装置简介核聚变反应托卡马克装置中磁场位形简介1原子核的结合能是研究核聚变能源的出发点:上式中,A是核子数,Z是质子数最早发现核聚变反应可以放出能量的是F.W.Aston,他用爱因斯坦的质能关系公式计算了 和 的质量2当前,核聚变从获取能源的角度来看,主要有如下几种反应:3发生核聚变反应的必备条件:高温高密(温度在10KeV以上)粒子的约束时间足够长(秒量级)即应达到劳森判据(LAWSON CRITERION): (解释eV单位 , )4核聚变反应中的能量平衡问题(power balance)以氘氚反应为例,反应中有大量的热核反应能放出(1/5由粒子携带,4/5由中子携带),而且

2、,在反应的最初阶段,还需要外界能量来维持反应的进行,同时在反应进行当中伴随着能量的损失.这样它们之间在某个时刻出现一中能量平衡.用反应功率表示的话,即:5聚变反应中的点火问题(ignition)所谓实现点火即聚变反应中产生足够多的粒子,这些粒子的能量足以补偿等离子体的能量损失以维持聚变反应持续进行,无需外部的辅助加热.在这种情况下,功率平衡公式就变为:6采用核聚变获取能源的一些优点:轻核聚变反应中放出的能量是惊人的.如果将一升海水中的氘提取出来发生聚变反应的话,相当于充分燃烧300升汽油.原料储量极为丰富.地球海水中蕴含大量的氘,如果开采使用,即使人类能源使用量逐年递增,也可以供给几百亿年使用

3、放射性环境污染不严重,即使有污染的氚也是反应的中间产物,容易处理.7在核聚变反应中,反应物在极高温度状态下会完全电离,变为整体呈电中性的等离子状态,由于他们扩散的能力非常强烈,任何实物都无法承受如此高的温度,因此必须采用特殊的方法将高温等离子体约束住.使之顺利的发生核聚变反应.在实际的约束方法中,通常有两种:惯性约束磁约束 托卡马克装置(TOKAMAKS)8托卡马克是一种环形等离子体约束装置,它是利用磁场将高温等离子体约束在一定的区域,使之达到劳森判据所要求的参数范围.磁约束的基本原理磁场对等离子体的约束能力体现在磁场和等离子体间的相互作用力,它主要包括三个方面:磁场对等离子体中每个带电粒子的

4、洛伦兹力由上面而产生的宏观效果磁应力由电流本身磁场产生的箍缩力9宏观效果磁应力:宏观磁应力是等离子体的整体感受到磁场给予的宏观作用力磁应力又叫做磁张力,它包括磁拉力和磁压力.磁拉力是沿着磁力线方向的.磁压力来自于相邻的磁力线,它的方向垂直于磁力线,而且从磁力线密的一侧指向磁力线疏的一侧.10箍缩力在等离子体中施加电场后,电子和离子在相反的方向加速,粒子通过碰撞损失掉电场方向的速度,最后在加速和碰撞损失之间达到一个平衡,维持一个稳定的速度,形成等离子体电流,它可以看作由无数个细小的电流管组成,流向相同的电流管之间会有一个相互吸引.这种向中心的收缩趋势称之为箍缩效应11托卡马克装置示意图12环流器

5、中各方向磁场的建立环向磁场的建立角向磁场的建立平衡磁场13环流器中,等离子体会在环形真空室中快速旋转而不和器壁接触此时的提供洛伦兹力的环向磁场是由套在外面的数个环形磁体提供的角向磁场则是由等离子体电流产生的自发磁场.这两个磁场在环形器中构成如上图所示的螺旋磁场,在回转变换下,等离子体在环形真空室中运动.首先,环形等离子体是通过变压器,对真空室中的氘氚混合气体进行放电电离形成.14平衡磁场阿(位形控制磁场)在环形磁约束装置中,等离子体还有一个保持平衡位置的问题.一个即使被约束的很好的等离子体环,在热膨胀力和磁场从环中心向外侧磁压力的作用下,也会向四周扩散,在极短的时间内撞到真空环形器壁上.这比宏

6、观磁流体不稳定还危险的威胁,为此还要加上一个平衡磁场,把等离子体定位在真空室中间.为了实现这个目的,还要在外面加上一组平衡场线圈并通过电流产生垂直场,把等离子体向环内推.(如下图所示)1516由上面的分析可以看出,托卡马克的环流器部分主要由环形真空室和三个磁场的线圈组成.反应中应特别注意的一些问题！.真空室在填充氘氚混合气体之前,必须做成高真空状态. 因为即使少量杂质的混入都会导致以下后果:增加等离子体的高度不稳定性.(扩散增强,磁场约束效果变差)2 辐射增强,反应能量降低无法达到核反应所必须的温度(10kev)17托卡马克发展历史托卡马克(tokamaks)一词起源于俄文 toroidaln

7、aya kamera magnitnaya Katushka意思为“环形室”(toroidal chamber)和“磁线圈”(magnetic coil)Tokamaks装置起源于上世纪五十年代的前苏联,同时期美欧也在大力发展期间发展的一个重要阶段是注意了避免杂质(impurity掺入的问题.这直接导致了60年代反应温度达到了1kev.70年代重点转到了如何将约束时间从毫秒量级做进一步的提高.到了80年代18随着大型托卡马克装置的出现,约束时间提高到100ms,在随后的试验中发现,当等离子体最小半径达到2m时,可以达到反应所要求的时间秒量级.JET已经做到了1.5m.此外70年代主要任务还有如何提高反应温度.到80年代早期已经达到了几个Kev.80年代出现的tokamaks主要有TFTR和JET.19到了90年代,又有几个难点被先后攻克.其中包括可以用氘氚混合物代替氚做反应物.可以产生更大的反应能.例如在TFTR中,50-50的氘氚混合物产生了持续超过一秒的10MW的能量.当前kokamaks中大部分问题已得到解决,