核聚变与等离子体物理 第二章2

磁约束聚变一、磁约束聚变装置的分类从形态上可分为开端装置和环形装置两类。开端装置的代表为磁镜，环形装置有托卡马克、仿星器、球形托卡马克。从时间尺度上看，还有一种称为快过程的装置，它的代表是箍缩类装置，如直线箍缩（Z箍缩）、角向箍缩（θ箍缩）和反场箍缩。可能是环形的也可能是直线形的。还有一类装置称为紧凑环，主要有场反位形、球马克。按放电时间和等离子体位形将不同类型的装置分类二、托卡马克（tokamak，带真空室的环形磁场）第一部分为环向磁场线圈，它们在一环轴上分排列，产生强的环向磁场，对等离子体起约束和稳定作用。第二部分为欧姆变压器，由中心螺管和若干外线圈构成，作为变压器的初级，产生变化磁通，感应一个环向电动势，将气体击穿，形成环形等离子体。等离子体形成后，作为变压器次级，在其中流过环向等离子体电流。这电流不但将等离子体进一步加热，而且它产生的极向磁场和外加环向磁场合成为螺旋磁力线，产生旋转变换，消除因磁场漂移引起的电荷分离，避免因此引起的粒子损失。1、基本组成第三部分为部分极向场线圈，产生用于维持等离子体平衡的垂直场。第四部分为真空室及抽气系统,气体的击穿和等离子体的运行都需要在较低气压下进行，且须维持气体的纯度，环形真空室位于环向场线圈之内，一般由两半组成，以利于安装。只靠环向场和角向场还不足以约束住托卡马克中的等离子体，这是因为角向磁场存在梯度，粒子在这个梯度的影响下会发生漂移，离开平衡位置而丢失。为了克服角向磁场梯度的影响，可以采取以下两种方法：（1）利用封闭等离子体的环形铜壳中所产生的感应电流，产生一个瞬时的基本垂直于环赤道面的Bv；（2）采用由外部线圈来产生垂直于环的赤道面的磁场。zz壳体等离子体R像电流BvBv等离子体RRR总角向场外加Bv场线圈综上所述，由于存在热膨胀力和磁场从环中心向环外侧的磁场梯度所产生的磁压力，等离子体被向外推。而垂直场的作用是产生一个向内的推力，保持等离子体的平衡。极向场线圈产生用于维持等离子体平衡的垂直场。2、磁场位形有的特点：剪切回转变换角：磁力线绕大环一周后绕小圆的角度剪切：回转变换角随小半径的变化称剪切。产生剪切的原因：角向场在环的横截面中心处磁场强度最小，在等离子体边缘处最大，而环向磁场在沿着环的横截面上变化缓慢，于是绕环的螺旋磁力线的螺旋距随着离开环的横截面中心处的距离发生变化。总磁场在环的横截面中心处磁场强度最小，在横截面等离子体边缘磁场强度最大。总体来说，磁场呈现磁井形态，等离子体在磁井内运动的时间大于在磁井外运行的时间。只要粒子绕环运动速度足够快，磁力线的旋转变换足够大，则等离子体能够稳定。1425363、安全因子：一条磁力线绕小截面一周后在大环方向的环绕圈数（平均值），描述偏斜的程度。其中：

代入可得：Ip(r)为该磁面内的等离子体电流总和。如果是均匀分布，IP(r)∝r

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，安全因子与小半径无关。一般的等离子体电流轮廓都是中间高，所以安全因子是从内到外逐渐增大。从安全因子的表示上看，我们总希望用最小的磁场达到最大的电流，所以我们总希望降低安全因子。在一般的托卡马克上，等离子体表面的安全因子值q(a)在2-3以上。进一步降低这一表面q值会引起不稳定性。这就是安全因子一词的由来。4、特点在物理上，由于极向场是由等离子体电流产生的，其在径向（即环的小半径方向）的分布也由电流分布决定，使托卡马克成为一个复杂系统。以欧姆加热为例：在因果关系上构成了闭环，所达到的状态由自组织过程决定。电阻分布决定等离子体电流的径向分布等离子体参数（温度、密度、杂质含量）决定等离子体电阻等离子体参数决定于加热和输运过程。在工程上，托卡马克装置有两大缺点。

第一是按照变压器原理，它是脉冲工作的。欧姆变压器的磁通变化值总是有限的，不能长期维持有电阻消耗的等离子体电流。而聚变堆则要求稳态运行，否则要配备大容量的储能系统。不用变压器的电流驱动方法也是有的，就是使用波驱动或中性粒子注入。但这需要很复杂的电流驱动系统，会提高聚变堆的成本。第二，托卡马克是通过电流对等离子体加热的。加热功率密度为ηj2，其中η为电阻率，j为电流密度。按照Spitzer电阻公式η∝T−3/2，随等离子体温度的升高，电阻逐渐减小，使加热效率降低。计算表明，光凭欧姆加热，在托卡马克中是达不到聚变温度的。为此，需要使用辅助加热，也以电磁波或中性粒子加热手段完成，因而增加了它的工程复杂性和聚变堆的一次成本。因为托卡马克等离子体物理的复杂性，不存在简单的解析关系联系装置参数和所能达到等离子体指标。但在不同尺度的实验装置上总结了一些定标律，用装置的尺寸、磁场、电流等参数表示所达到的约束时间、密度、温度、比压等指标，一般为冪级关系。在一代又一代的装置上检验、修正这些定标律，并据此对聚变堆建造所需条件作出预测，就是长期以来托卡马克途径的发展轨迹。5、研究课题托卡马克等离子体物理可分为宏观和微观两类课题。（1）宏观问题主要是各种磁流体不稳定性，及由这些不稳定性决定的运转极限，如电流、密度、比压、安全因子的极限。研究目的是如何控制等离子体，突破这样的极限而进一步提高等离子体参数，以及如何防止破坏性的事件如破裂不稳定性的发生。而这需要对宏观过程有更透彻的理解。而这要依赖于诊断和数值模型的改善。（2）微观不稳定性主要与输运有关。实验揭示磁约束等离子体的输运远高于经典输运和考虑到环形装置粒子运动形态的新经典输运水平，称为反常输运。近年来的实验和数值模拟研究已证实反常输运来自漂移波等微观不稳定性。而且，不同类型的所谓高约束模的实现已使一些输运系数降低到新经典的水平。一些有关研究课题，如新经典磁岛、带状流（zonalflow）、非局域性效应（自组织过程）、输运方程的非对角项（能量、粒子、角动量输运的交叉作用）、非输运的能量和粒子损失，都是当前研究重点。边界等离子体在等离子体约束中也是重要因素。涉及边界区以及与壁的相互作用的一些扰动模式对实现高的参数有直接的作用。

托卡马克型以及其它类型磁约束装置建堆的一项主要困难是材料问题。在聚变堆里，面向燃烧等离子体的第一壁要承受每平方米几兆瓦的14MeV高能中子的轰击。中子穿过第一壁，在结构材料和磁体内引起各种辐射效应。低活性材料的选择和测试是必须进行的。6、环流器的发展至今经历了四代第一代：T-1和T-2装置，磁场不精确，等离子体中的杂质过多。T-3装置，铁心变压器真空系统采用可烘烤的不锈钢，采用铜壳和外加垂直场结合，等离子体位置准确，杂质少，温度达到1keV。第二代：储能在千万焦耳至亿焦耳，离子温度

，，采取二次加热手段，在TFR装置上，采用中性粒子注入，达到2keV。第三代：指标达到（在无二次加热的情况下），，在PLT上采取中性粒子注入，离子温度。第四代：储能都在109J左右，都在近点火区。尽管约束等离子的参数在不断地提高，但仍然存在着许多问题和困难，如β值很低，不能稳定运行，二次加热的功率要求很大。托卡马克取得参数的进展及我国装置的地位，EAST为预计能达到指标我国目前正在运转的托卡马克有核工业西南物理研究院的HL-2A，中国科学院等离子体物理研究所的HT-7和EAST。7、我国托卡马克装置现状HL-2A为我国第一个有偏滤器的托卡马克。它的真空室和磁场线圈来自德国的ASDEX。HT-7装置的主体来自俄罗斯的