等离子体的磁约束原理
等离子体的磁约束原理
张玉萍
在辉光放电、弧光放电的阳极柱里，气体处在高度电离状态，但是其中正、负电荷密度几乎相等，这时的系统同普通的气体有明显的区别，1929年，美国的朗默尔（Langmuir）将它取名为“plasma”，译名为“等离子体”。在热核反应的高温（约在几百万开甚至一亿开左右）下，物质处于等离子态，但在热核反应的高温下，任何固体材料的容器早已熔毁，而且散热的速度随温度的升高而急剧增加。目前在大多数受控热核反应的实验装置里用磁场来约束等离子体，使之脱离器壁并限制它的热导。下面简单介绍等离子体磁约束的原理。
我们知道，带电粒子的速度v和磁感强度B成任意夹角时，此带电粒子在磁场中作螺旋线运动，且回旋半径R与磁感强度B成反比，磁场越强，半径越小，这样一来，在很强的磁场中，每个带电粒子的运动便被约束在一根磁感线附近的很小的范围内（右图），也就是说，带电粒子回旋轨道的中心（也叫引导中心）只能沿磁感线纵向移动，而不能横越它，只有当粒子发生碰撞时，引导中心才能由一根磁感线跳到另一根磁感线，因此，强磁场可以使带电粒子的横向输运过程（如扩散、热导）受到很大的限制。
实际问题中，例如受控热核反应，不仅要求引导中心受到横向约束，也希望有纵向约束。下述磁镜装置便能限制引导中心的纵向移动。如上图（a）所示，两个电流方向相同的线圈产生中央弱两端强的不均匀磁场，当处于中间区域的带电粒子沿着z轴向右运动时，设粒子带正电荷q，
速度v沿z轴，如图5-2（b）所示，粒子受到洛伦兹力
B
v?
q作用，使粒子向着如上图（b）所
示方向（垂直屏幕向里）偏转，可见粒子将获得绕轴旋转的运动速度θv（图中用?代表其方向），随着粒子分速度θv的出现，又将受到洛伦兹力F的作用，其径向分量r F使粒子向轴线偏转，轴
向分量z F 使带电粒子的轴向速度v 减少，因为B v F ?=θq ，B 增大，v 减小得也快，粒子运动到右端线圈附近时，由于该处B 很大，如 果v 初始速度较小，则v 有可能减至为零，然后就反向运动，犹如光线射到镜面上反射回来一样。 如果处于中间区域的带电粒子沿着z 轴向左运动，类似分析，如上图（c ），可以得出带电粒子运动到左端线圈附近时，带电粒子轴向速度也有可能减至为零，然后带电粒子反向运动，我们通常把这种能约束运动带电粒子（见右图动画）的磁场分布叫做磁镜，又形象地称为磁瓶，上图（a ）所示的便是一种磁镜装置，对于其中的带电粒子来说，相当于两端各有一面磁镜，那些纵向速度v 不是太大的带电粒子将在两磁镜之间来回反射，被约束在两面“镜子”之间的中间区域而不能逃脱。
如前所述，不仅带电粒子的横向运动可被磁场抑制，而且纵向运动又被磁镜所反射，所以这样的磁场分布就象牢宠一样，可以把带电粒子或等离子体约束在其中。 但磁镜装置有个缺点，即总有一部分纵向速度较大的粒子会从两端逃逸，所以采用下左图所示的环形磁场结构，可以避免这个缺点。
在受控热核聚变中，除了磁镜的约束外，还有其他的一些磁瓶装置，如托卡马克装置、仿星器等，它们的结构虽然不尽相同，但都是采用某种特定形态的磁场来约束等离子体。
应该指出，磁镜约束也存在于自然界中，例如地球磁场两极强、中间弱就是一个天然磁瓶，它使得来自宇宙射线的带电粒子在两磁极间来回振荡，（如上右图）从而形成第十章所提到的范·阿仑辐射带。生活在地球上的人类及其他生物都应十分感谢这个天然的磁镜约束，正是靠它才将来自宇宙空间、能致生物于死命的各种高能射线或粒子捕获住，使人类和其他生物不被伤害，得以安全地生存下来。
参考资料
核聚变
学年论文 核聚变——未来的新能源 班级：08113 学号：27 姓名：宋广佳 指导教师：姚大力
核聚变——未来的新能源 0811327 宋广佳 【摘要】：氢弹应用的正是聚变原理，这是人类利用核聚变能的首次成功尝试。两个氢原子合为一个氦原子，叫核聚变，太阳就因此释放出巨大能量。核聚变产生的能量比核裂变还要多，而其辐射却要少得多，而且核聚变燃料可以说是取之不尽、用之不竭的。 关键词：核聚变未来新能源国际合作项目研究 能源是社会发展的基石。古人伐木为薪，后来柴薪逐渐被煤、石油、天然气等化石燃料取代。而今，化石能源面临“危机”，同时又对环境造成严重污染。以煤炭、石油、天然气等化石能源替代柴薪的第一次能源革命，带来了社会、经济的迅速发展。然而这些宝贵的化石能源是不可再生的，据估计，100年后地球上的化石能源将会枯竭。面对即将来临的能源危机，人类开始寻找新能源。回顾人类发展的历史，每一次高效能新能源的利用，都会使社会进入一个新的时代，带来一次新的飞跃。新能源的开发是社会发展的重要基础。 能源分为一次能源和二次能源，化石能源、太阳能、风能、地热能、核能、潮汐能等为一次能源，而焦煤、蒸汽、液化气、酒精、汽油、电能为二次能源。其次，按利用状况，可分为常规能源和新能源。前者是指在不同历史时期的科技发展水平下已被广泛应用的能源，现阶段指煤、石油、天然气、水能和核裂变能五种；后者指由于技术、经济或能源品质等因素而未能大规模使用的能源，如太阳能、风能、海洋能、地热能等。为了社会的稳定发展，人们正在利用高新科学技术开发新的能源。从长远来看，核能将是继石油、煤和天然气之后的主要能源，人类将从“石油文明”走向“核能文明”。原子弹、氢弹的爆炸，使人们认识到原子核内蕴藏着巨大的能量，核电站正是合理利用核能的一个途径。而今，太阳能、地热能、海洋能、生物能等各种新能源也正在开发过程中。日本政府于1993年就提出旨在开发利用新能源的“新阳光计划”，每年都要为新能源技术开发拨款约362亿日元。日本新能源利用的目标是，到2008年争取使新能源在一次能源中所占的比重由目前的1%提高到3%。美国《国家综合能源战略》确定的新能源开发利用目标是，发展先进的可再生能源技术，开发非常规的甲烷资源，发展氢能的储存、分配和转化技术。 为什么太阳能源源不断地向外释放能量，好像永远不会枯竭？这个疑问直到爱因斯坦提出了狭义相对论才有了答案。在极高的温度下，太阳物质发生核聚变反应，释放出巨大的聚变能，其中极小一部分来到地球，成为地球一切生命和能源之源。 一、什么叫核聚变 世界上的每一种物质都处于不稳定状态，有时会分裂或合成，变成另外的物质。物质无论是分裂还是合成，都伴随着能量的转移过程。大家熟知的原子弹利用的则是裂变原理，目前的核电站也是利用核裂变来发电的。核裂变虽然能产生巨大能量，但裂变堆的核燃料蕴藏极为有限，不仅其强大辐射会伤害人体，而且废料也很难处理，可能遗害千年。1946年，第一颗原子弹在广岛上空引爆，此后不久，氢弹爆炸又获得成功。氢弹应用的正是聚变原理，这是人类利用核聚变能的首次成功尝试。两个氢原子合为一个氦原子，叫核聚变，太阳就因此释放出巨大能量。核聚变产生的能量比核裂变还要多，而其辐射却要少得多，而且核聚变燃料可以说是取之不尽、用之不竭的。氢弹威力无比，却无法控制，一旦释放就无法挽回。是否可以控制聚变能，使之缓慢释放，造福人类呢？
理论力学授课教案
《理论力学》教案 使用教材：《理论力学》 (哈工大主编) 第一篇静力学 第一章静力学 一、目的要求 1．深入地理解力、刚体、平衡和约束等重要概念。 2．静力学公理（或力的基本性质）是静力学的理论基础，要求深入理解。 3．明确和掌握约束的基本特征及约束反力的画法。 4．熟练而正确地对单个物体与物体系统进行受力分析，画出受力图。 5．掌握力多边形法则及平面汇交力系合成与平衡的几何条件。 二、基本内容 1．重要概念 1）平衡：物体机械运动的一种特殊状态。在静力学中，若物体相对于地面保持静止或作匀速直线平动，则称物体处于平衡。 2）刚体：在力作用下不变形的物体。刚体是静力学中的理想化力学模型。 3）约束：对非自由体的运动所加的限制条件。在刚体静力学中指限制研究对象运动的物体。约束对非自由体施加的力称为约束反力。约束反力的方向总是与约束所能阻碍的物体的运动或运动趋势的方向相反。 4）力：物体之间的相互机械作用。其作用效果可使物体的运动状态发生改变和使物体产生变形。前者称为力的运动效应或外效应，后者称为力的变形效应或内效应，理论力学只研究力的外效应。力对物体作用的效应取决于力的大小、方向、作用点这三个要素，且满足平行四边形法则，故力是定位矢量。 5）力的分类： 集中力、分布力 主动力、约束反力 6）力系：同时作用于物体上的一群力称为力系。按其作用线所在的位置，力系可以分为平面力系和空间力系，按其作用线的相互关系，力系分为共线力系、平行力系、汇交力系和任意力系等等。 7）等效力系：分别作用于同一刚体上的两组力系，如果它们对该刚体的作用效果完全相同，则此两组力系互为等效力系。 8）平衡力系：若物体在某力系作用下保持平衡，则称此力系为平衡力系。 9）力的合成与分解：若力系与一个力F R等效，则力F R称为力系的合力，而力系中的各力称为合力F R的分力。力系用其合力F R代替，称为力的合成；反之，一个力F R用其分力代替，称为力的分解。 2．静力学公理及其推论 公理1：二力平衡条件 指出了作用于刚体上最简单力系的平衡条件。对刚体而言，这个条件既必要又充分，但对非刚体而言，这个条件并不充分。 公理2：加减平衡力系公理 此公理是研究力系等效变换的依据，同样也只适用于刚体而不适用于变形体。 推论1：力的可传性 表明作用于刚体上的力是滑动矢量。
等离子体的磁约束原理
等离子体的磁约束原理 张玉萍 在辉光放电、弧光放电的阳极柱里，气体处在高度电离状态，但是其中正、负电荷密度几乎相等，这时的系统同普通的气体有明显的区别，1929年，美国的朗默尔（Langmuir）将它取名为“plasma”，译名为“等离子体”。在热核反应的高温（约在几百万开甚至一亿开左右）下，物质处于等离子态，但在热核反应的高温下，任何固体材料的容器早已熔毁，而且散热的速度随温度的升高而急剧增加。目前在大多数受控热核反应的实验装置里用磁场来约束等离子体，使之脱离器壁并限制它的热导。下面简单介绍等离子体磁约束的原理。 我们知道，带电粒子的速度v和磁感强度B成任意夹角时，此带电粒子在磁场中作螺旋线运动，且回旋半径R与磁感强度B成反比，磁场越强，半径越小，这样一来，在很强的磁场中，每个带电粒子的运动便被约束在一根磁感线附近的很小的范围内（右图），也就是说，带电粒子回旋轨道的中心（也叫引导中心）只能沿磁感线纵向移动，而不能横越它，只有当粒子发生碰撞时，引导中心才能由一根磁感线跳到另一根磁感线，因此，强磁场可以使带电粒子的横向输运过程（如扩散、热导）受到很大的限制。
实际问题中，例如受控热核反应，不仅要求引导中心受到横向约束，也希望有纵向约束。下述磁镜装置便能限制引导中心的纵向移动。如上图（a）所示，两个电流方向相同的线圈产生中央弱两端强的不均匀磁场，当处于中间区域的带电粒子沿着z轴向右运动时，设粒子带正电荷q， 速度v沿z轴，如图5-2（b）所示，粒子受到洛伦兹力 B v? q作用，使粒子向着如上图（b）所 示方向（垂直屏幕向里）偏转，可见粒子将获得绕轴旋转的运动速度θv（图中用?代表其方向），随着粒子分速度θv的出现，又将受到洛伦兹力F的作用，其径向分量r F使粒子向轴线偏转，轴
磁约束
一． 概述 众所周知，以一定速度进入均匀磁场中的带电粒子作螺旋线运动。进入非均匀磁场中的带电粒子将如何运动呢？现以典型的喇叭形磁场为例，用一种简明的方法进行分析，阐明了磁约束的基本原理及其在核聚变中的重要应用。 二． 带电粒子在喇叭形磁场中的运动 常见的典型的喇叭形磁场如图15-1所示。 为了方便起见，设图15-1示的磁场是关于Z 轴对称的空间缓变的；喇叭形磁场，它可用下表示 其中 为常数， 和 分别为柱坐标系中Z 轴和径向方向的单位矢量，a 是一个微小的参数，它表达了 随Z 和r 的缓慢变化。 电荷为q ，质量为m 的粒子以一定速度 （假定 之大小远小于真空中的光速） 进入图15-1所示的磁场中，它将如何运动呢？ 现将带电粒子的速度分解为平行于的纵向分量与垂直于的横向分量 。 带电粒子在 的z 分量 作用下，类似 于在均匀磁场中的带电粒子作螺旋线运动。但由于 随Z 增大而增强，其回旋
半径将逐渐减小，因此带电粒 子的轨道是一条会聚螺旋线，如图15-2 所示。 磁场的径向分量虽小，但对带电粒子的运动产生十分重要的作用，出现了十分有趣的特征。由径向磁场产生的洛仑兹力为： （2） 其中使带电粒子的横向速度之大小增加，因由 于的空间缓变,甚微，所以为圆柱坐标系中 方向的单位矢量）。 （2）式中第二项以表示，即： （3） (3)式所示之分力与方向相反，将使减小。可见磁场使带电粒 子的增加，减小。然而在稳定的磁场中运动的带电粒子的总动能是不变的。即： 常数（4） 从（4）式出发，由的变化可找出带电粒子横向速度的变化规律。今将（4）式对时间求导数得：（5） 其中
等离子体概述
一、等离子体概述 物质有几个状态？学过初中物理的会很快回答固态、液态、气态。其实，等离子态是物质存在的又一种聚集态，称为物质的第四态。它是由大量的自由电子和离子组成，整体上呈现电中性的电离气体。 在一定条件下，物质的各态之间是可以相互转化的，当有足够的能量施予固体，使得粒子的平均动能超过粒子在晶格中的结合能，晶体被破坏，固体变成液体。若向液体施加足够的能量，使粒子的结合键破坏，液体就变成了气体。若对气体分子施加足够的能量，使电子脱离分子或原子的束缚成为自由电子，失去电子的原子成为带正电的离子时，中性气体就变成了等离子体。物质的状态对应了物质中粒子的有序程度，等离子内物质中的粒子有序程度是最差的。相应的，等离子体内的粒子具有较高的能量、较高的温度。实际上，宇宙中99.9%的物质处于等离子态，它是宇宙中物质存在的普遍形式，不过地球上，等离子体多是人造的。 人工如何造出等离子体呢？从上面的论述可以看出，等离子体的能量是很高的，任何物质加热到足够高的温度，都会成为电离态，形成等离子体。在太阳和恒星的内部，都存在着大量的高温产生的等离子体。太阳和恒星的热辐射和紫外辐射能使星际空间的稀薄气体产生电离，形成等离子体，如地球上空的电离层就是这样来的。各种直流、交流、脉冲放电等均可用来产生等离子体。利用激光也可以产生等离子体。 等离子体如何描述？温度。等离子体有两种状态：平衡状态和非平衡状态。等离子体中的带电粒子之间存在库伦力的作用，但是此作用力远小于粒子运动的热运动能。当讨论处于热平衡状态的等离子体时，常将等离子体当做理想气体处理，而忽略粒子间的相互作用。在热平衡状态下，粒子能量服从麦克斯韦分布。每个粒子的平均动能32 E kT =。对于处于非平衡状态下的等离子体，一般认为不同粒子成分各自处于热平衡态，分别用e T 、i T 、n T 表示电子气、离子气和中性气体的温度，并表示各自的平均动能。可以用动力学温度E T （eV ）表示等离子体的温度，E T 的单位是能量单位，由粒子的动能公式可得 2133222 E E mv kT T = ==，E T 就是粒子的等效能量kT 值（1eV 的能量温度，相应的开氏绝对温度为1T k ==11600K ）。 温度是描述等离子体能量的，还有其它的一些概念来表述。（1）高温等离子体，低温等离子体，冷等离子体。高温等离子体也是完全电离体，温度6810~10K ，核反应、恒星的等离子体是这类。低温等离子体是部分电离体，463410~10,310~310e i T K T K ==??，电弧等离子体、燃烧等离子体是这种。冷等离子体是410,e i T K T >约等于室温的等离子体。 （2）电离度。强电离等离子体指电离度η>10-4的等离子体，弱电离等离子体η<10-4。η是电离度，0=n n n η+，n 是两种异电荷粒子中任何一种密度，0n 为中性粒子密度。粒子密度是表示单位体积中所含粒子的数目。（3）稠密等离子体和稀薄等离子体。具体区分度不详。
会切磁瓶探析—磁场位形为磁阱的新型磁约束装置
Nuclear Science and Technology 核科学与技术, 2016, 4(1), 7-16 Published Online January 2016 in Hans. https://www.360docs.net/doc/3a13454339.html,/journal/nst https://www.360docs.net/doc/3a13454339.html,/10.12677/nst.2016.41002 Exploration and Analysis of the Cusp Magnetic Bottle —New Magnetic Confinement Device with Configurations as Magnetic Trap Shuqin Tian Qiandian Station of Shenyang Railway, Fushun Liaoning Received: Jan. 4th, 2016; accepted: Jan. 26th, 2016; published: Jan. 29th, 2016 Copyright ? 2016 by author and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). https://www.360docs.net/doc/3a13454339.html,/licenses/by/4.0/ Abstract The cusp magnetic bottle is a magnetic confinement device constituted by magnets on each vertex of the regular polyhedron. The internal magnetic field configuration is an ideal magnetic trap with the bottom magnetic induction intensity of zero, which could reach up to the limit value defined by the trap depth. The changing curve of magnetic induction intensity has indicated that, the magnet-ic induction intensity difference for cusp magnetic bottle of regular dodecahedron is over 20 times greater than that for softball seal coil of same volume and that the cusp magnetic bottle has a larger space to expand. The constraint theory of plasma by the cusp magnetic bottle is to rely on the magnetic trap and magnetic confinement theory indicates that, only magnetic trap configura-tion can truly achieve the stable confinement of plasma. Tokamak or magnetic mirror is to rely on the adhesion of particles of electricity on magnetic line of force. However, it has all kinds of ma-croscopic and microcosmic instabilities from both theoretically and practically. These instabilities would no long exist in the cusp magnetic bottle. From the constitution of cusp magnetic bottle, the materials, operation, structure, flexibility, expansibility and other aspects all indicate that the cusp magnetic bottle is far superior to traditional magnetic confinement devices. Keywords Cusp Magnetic Bottle, Magnetic Trap, Cusp Field, Magnetic Confinement 会切磁瓶探析 —磁场位形为磁阱的新型磁约束装置
磁约束聚变现状研究汇总
1 前言 能源是社会发展的基础，化石燃料不仅储量有限，而且会造成严重的生态环境破坏和污染，预期200多年后，人类将面临严重的能源枯竭问题，因此，必须 尽快完成战略新能源的开发研究。在一系列的新能源中，核聚变能是最理想的清洁新能源。 核聚变反应包括氘氚反应、氘氦反应、氢硼反应等，其中氘氚反应在地球上最易实现，因其反应资源存在于海水中，一旦实现受控热核聚变，海水将成为人类取之不尽用之不竭的资源。这需要氘或氚，在一定条件下(如超高温和高压)让核外电子摆脱原子核的束缚，让两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核(如氦)，中子虽然质量比较大，但是由于中子不带电，因此也能够在这个碰撞过程中逃离原子核的束缚而释放出来，大量电子和中子的释放所表现出来的就是巨大的能量释放。 2 惯性约束聚变装置简介 现有的可控核聚变约束手段主要有两种，一种是惯性约束，一种是磁约束。 惯性约束是指利用粒子的惯性作用来约束粒子本身，从而实现核聚变反应的一种方法。其基本思想是:利用驱动器提供的能量使靶丸中的核聚变燃料(氘、氚)形成等离子体，在这些等离子体粒子由于自身惯性作用还来不及向四周飞散的极短 时间内，通过向心爆聚被压缩到高温、高密度状态，从而发生核聚变反应。该项 研究主要在美国的国家点火装置（NIF），中国的神光-Ⅲ主机装置，如图1所示。 (a)
(b) 图1 (a)国家点火装置 (b)神光-Ⅲ主机装置 美国的国家点火装置位于加利福尼亚州的利弗莫尔国家实验室，在过去的一段时间里，其工作人员一直致力于将192束激光集中于一个花生米大小的、装有氢粒子的目标上。当能量为500太瓦的激光撞击到装有氢粒子的目标上后，会产生X光粒子，使得重氢原子和超重氢原子产生聚变，这种聚变使得少量物质转变为巨大能量。但由于技术问题，该项目在2012年末将工作重点由聚变能研究领域重新转回到核武器试验上。 我国的“神光-Ⅲ主机装置”，已在2015年由中物院基本建成。作为亚洲最大，世界第二大激光装置，神光-Ⅲ主机装置共有48束激光，总输出能量为18万焦耳，峰值功率高达60万亿瓦。 3 磁约束聚变装置简介 磁约束聚变是指用特殊形态的磁场把氘、氚等轻原子核和自由电子组成的、 处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限的体积内，使它受控制地发生大量的原子核聚变反应，释放出能量。 自上个世纪60年代中期以来，各国科学家先后建成的磁约束装置包括托卡 马克、仿星器、反场箍缩、磁镜、多级场等。 3.1 托卡马克 托卡马克，是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字Tokamak 来源于环形、真空室、磁、线圈，最初是由位于前苏联莫斯科的库尔
等离子体物理思考题参考050718讲解
思考题 1.1 电离气体一定是等离子体吗？反过来呢？ 答：电离气体不一定是等离子体，反过来也不一定。 1.2 试就高温、低温、高密度、低密度等离子体各举一例。 答：磁约束受控热核聚变等离子体是高温等离子体，电弧等离子体是低温等离子体，太阳内部等离子体是高密度等离子体，电离层等离子体是低密度等离子体。 1.3 德拜屏蔽效应一定要有异性离子存在吗？ 答：不一定，完全由电子构成的非中性等离子体也具有德拜屏蔽效应。 1.4 用电子德拜长度表示等离子体的德拜长度的前提是什么？ 答：主要是所考虑问题的时间尺度应小于离子的响应时间，离子不能响应。 1.5 由于德拜屏蔽，带电粒子的库仑势被限制在德拜长度内，这是否意味着 粒子与德拜球外粒子无相互作用？为什么？ 答：有，但是表现为集体相互作用，实际上屏蔽本身可以视为相互作用的传递过程，粒子对德拜球外的粒子的相互作用，通过周围屏蔽粒子的传递而作用。 1.6 对于完全由同一种离子构成的非中性等离子体，能够有德拜屏蔽的概念 吗？ 答：同样有，但此时是指在平衡状态下，系统对电扰动的屏蔽作用。 1.7 常规等离子体具有不容忍内部存在电场的禀性，这是否意味着等离子体 内部不可能存在很大的电场，为什么？ 答：不一定，在小于德拜长度的空间尺度中，可以存在局域很强的电场，在比等离子体特征响应时间小的时间尺度中，可以存在瞬时的强电场。 1.8 在电子集体振荡的模型中，若初始时不是所有电子与离子产生分离而是 部分电子，则振荡频率会发生变化吗？如果变化，如何解释？ 答：从方程上看，此时的振荡频率似乎会减小，即将电子密度换成分离电子密度，如果这样，集体振荡频率就不是等离子体的一种特征频率，因为与振荡扰动的幅度相关。但事实上这样处理是不对的，部分电子与离子分离的情况应用此模型无法进行。因为当部分电子分离时，未分离的电子同样会运动，使得电场会增大，结果使振荡频率仍然是等离子体频率。 1.9 粒子之间的碰撞是中性气体中粒子相互作用的唯一途径，在等离子体中
磁约束实验报告
南昌大学实验报告 磁约束核聚变装置控制虚拟仿真实验报告 一、实验目的 （1）理解磁约束核聚变的基本原理； （2）熟悉托克马克实验装置控制的一般操作流程； （3）了解托克马克实验装置的一般平衡磁场位型、等离子体密度分布和温度分布的特征图像； （4）了解托克马克实验装置L 、H 模式下等离子体的密度和温度分布区别。 二、实验仪器 磁约束核聚变装置控制虚拟仿真实验系统：主要包括NCST 装置（南昌大学球马克实验装置模型）、抽真空系统、中央控制系统、电源系统、加料系统、磁场电源控制器、等离子体加热系统、磁场诊断探针、激光汤姆逊散射诊断系统、诊断数据采集器、数据处理系统等软件操作模块。 三、实验原理 托卡马克是一环形装置。欧姆线圈的电流变化提供产生、建立和维持等离子体电流所需要的伏秒数；极向场线圈产生的极向磁场控制等离子体截面形状和位置平衡；环向场线圈产生的环向磁场保证等离子体的宏观整体稳定性；环向磁场与等离子体电流产生的极向磁场一起构成磁力线旋转变换的和磁面结构嵌套的磁场位形来约束等离子体。在托卡马克装置上，已可通过大功率中性束注入加热和各种微波加热使等离子体达到和超过氘一氚有效燃烧所需的温度(>10K)。研究表明加大装置尺寸，约束时间大致按尺寸的平方增大。此外，还可通过提高环向磁场、优化约束位形和运行模式来提高能量约束时间。 高温等离子体被约束在不与真空室壁相碰的位置上，在约束过程中存在大量不稳定性、热传导损失和辐射损失等，在约束控制过程中需要不断诊断等离子体参数，抑制各种导致等离子体破裂的不稳定性发展，同时通过各种辅助加热使反应堆的输入和输出整体功率平衡，满足等离子体的点火条件，即著名的劳森判据： 2032210/E E p n T sK m ττ=≥?， （1） 才能实现等离子体的自持燃烧，其中n 和T 分别为约束等离子体密度和温度，E τ为等离子体能量约束时间，即等离子体能量由于热传导下降到1 e -的弛豫时间。从点火条件可知，T 的最小值和相应的E p τ值为：
等离子体
等离子体又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间、空间物理、地球物理等科学的进一步发展提供了新的技术和工艺。 物质由分子组成，分子由原子组成，原子由带正电的原子核和围绕它的、带负电的电子构成。当被加热到足够高的温度或其他原因，外层电子摆脱原子核的束缚成为自由电子，就像下课后的学生跑到操场上随意玩耍一样。电子离开原子核，这个过程就叫做“电离”。这时，物质就变成了由带正电的原子核和带负电的电子组成的、一团均匀的“浆糊”，因此人们戏称它为离子浆，这些离子浆中正负电荷总量相等，所以就叫等离子体。 1简介 看似“神秘”的等离子体，其实是宇宙中一种常见的物质，在太阳、恒星、闪电中都存在等离子体，它占了整个宇宙的99%。21世纪人们已经掌握和利用电场和磁场产生来控制等离子体。例如焊工们用高温等离子体焊接金属。 等离子体由离子、电子以及未电离的中性粒子的集合组成，整体呈中性的物质状态。等离子体可分为两种：高温和低温等离子体。等离子体温度分别用电子温度和离子温度表示，两者相等称为高温等离子体；不相等则称低温等离子体。低温等离子体广泛运用于多种 等离子体发生器 生产领域。例如：等离子电视，婴儿尿布表面防水涂层，增加啤酒瓶阻隔性。更重要的是在电脑芯片中的蚀刻运用，让网络时代成为现实。 高温等离子体只有在温度足够高时发生的。恒星不断地发出这种等离子体，组成了宇宙的99%。低温等离子体是在常温下发生的等离子体（虽然电子的温度很高）。低温等离子体可以被用于氧化、变性等表面处理或者在有机物和无机物上进行沉淀涂层处理。 等离子体（Plasma）是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态，广泛存在于宇宙中，常被视为是物质的第四态，被称为等离子态，或者“超气态”，也称“电浆体”。等离子体具有很高的电导率，与电磁场存在极强的耦合作用。等离子体是由克鲁克斯在1879年发现的，1928年美国科学家欧文·朗缪尔和汤克斯（Tonks）首次将“等离子体”（plasma）一词引入物理学，用来描述气体放电管里的物质形态[1]。严格来说，等离子体是具有高位能动能的气体团，等离子体的总带电量仍是中性，借由电场或磁场的高动能将外层的电子击出，结果电子已不再被束缚于原子核，而成为高位能高动能的自由电子。 等离子体是物质的第四态，即电离了的“气体”，它呈现出高度激发的不稳定态，其中包括离子(具有不同符号和电荷)、电子、原子和分子。其实，人们对等离子体现象并不生疏。在自然界里，炽热烁烁的火焰、光辉夺目的闪电、以及绚烂壮丽的极光等都是等离子体作用的结果。对于整个宇宙来讲，几乎99．9%以上的物质都是以等离子体态存在的，如恒星和行星际空间等都是由等离子体组成的。用人工方法，如核聚变、核裂变、辉光放电及各种放电都可产生等离子体。分子或原子的内部结构主要由电子和原子核组成。在通常情况下，即上述物质前三种形态，电子与核之间的关系比较固定，即电子以不同的能级存在于核场的周围，
磁约束原理与运用.
班级02321101 学号1120110436 姓名张鹏杰 磁约束原理与运用 [摘要]众所周知，以一定速度进入均匀磁场中的带电粒子作螺旋线运动。进入非均匀磁场中的带电粒子的运动轨迹是一条会聚的螺旋线。运用这一原理可以将热核反应中的等离子体约束在实验装置内从而实现可控的核聚变，为寻找新能源开辟蹊径。 [关键词]磁约束，等离子体，受控核聚变，能源 一、磁约束原理 带电粒子在磁场中沿螺线运动，回旋半径R与磁感应强度B成反比。在很强的磁场中，每个带电粒子的活动便被束缚在一根磁感线附近的很小范围内，只能沿磁感线做种纵向运动。 在热核反应的高温下，物质处于等离子态，有带电粒子组成，而由于上述原因，强磁场可以使带电粒子的横向输运过程受限。 在纵向，同样可以利用磁约束对粒子的运动加以限制。带电粒子的圆周运动可被等效视作通电线圈。设带电粒子的带电量为q，回旋频率为υ，回旋半径为R，则等效线圈中的电流I=q υ，面积S=，磁矩M=IS=qυ2π。对于在磁场中的回旋运动，可知υ=，R=，于是有： M== 理论上可以证明，在梯度不是太大的非均匀磁场中，带电粒子的磁矩M是个不变量。亦即，当带电粒子由较弱的磁场区进入较强的磁场区时（B增加），它的横向动能要按比例增加。然而由于洛伦兹力是不做功的，带电粒子的总动能不变，则纵向动能即纵向速度就要减小，甚至为零。通常将这种由弱到强的磁场位形叫做磁镜。如右图，两个同向通电线圈产生中间弱两边强的磁场位形，带电粒子在横向受到磁场约束，在纵向则在两线圈中来回反射，从而达到约 束的目的。不过，一部分纵向动能较大的粒子仍然有可能从磁镜两端逃出。而采用右图所示的环形磁约束结构则可避免这种情况。这种结构也是下面将要提到的托卡马克装置的基本结构。
理论力学重点总结
绪论 1.学习理论力学的目的：在于掌握机械运动的客观规律，能动地改造客观世界，为生产建 设服务。 2.学习本课程的任务：一方面是运用力学基本知识直接解决工程技术中的实际问题；另一 方面是为学习一系列的后继课程提供重要的理论基础，如材料力学、结构力学、弹性力学、流体力学、机械原理、机械零件等以及有关的专业课程。此外，理论力学的学习还有助于培养辩证唯物主义世界观，树立正确的逻辑思维方法，提高分析问题与解决问题的能力。 第一章静力学的基本公理与物体的受力分析 1-1静力学的基本概念 1.刚体：即在任何情况下永远不变形的物体。这一特征表现为刚体内任意两点的距离永远 保持不变。 2.质点：指具有一定质量而其形状与大小可以忽略不计的物体。 1-3约束与约束力 1.自由体：凡可以在空间任意运动的物体称为自由体。 2.非自由体：因受到周围物体的阻碍、限制不能作任意运动的物体称为非自由体。 3.约束：力学中把事先对于物体的运动（位置和速度）所加的限制条件称为约束。约束是 以物体相互接触的方式构成的，构成约束的周围物体称为约束体，有时也称为约束。4.约束力：约束体阻碍限制物体的自由运动，改变了物体的运动状态，因此约束体必须承 受物体的作用力，同时给予物体以相等、相反的反作用力，这种力称为约束力或称反力，属于被动力。 5.单面约束、双面约束：凡只能阻止物体沿一方向运动而不能阻止物体沿相反方向运动的 约束称为单面约束；否则称为双面约束。单面约束的约束力指向是确定的，即与约束所能阻止的运动方向相反；而双面约束的约束力指向还决定于物体的运动趋势。 6.柔性体约束：为单面约束。只能承受拉力，作用在连接点或假想截割处，方向沿着柔软 体的轴线而背离物体，常用符号F T表示。（绳索、胶带、链条） 7.光滑接触面（线）约束：为单面约束，其约束力常又称为法向约束力。光滑接触面（线） 的约束力只能是压力，作用在接触处，方向沿着接触表面在接触处的公法线而指向物体，常用符号F N表示。 8.光滑圆柱形铰链约束：简称圆柱铰，是连接两个构件的圆柱形零件，通常称为销钉。光 滑圆柱铰链约束的约束力只能是压力，在垂直于圆柱销轴线的平面内，通过圆柱销中心，方向不定。 9.铰支座：用光滑圆柱销把结构物或构件与底座连接，并把底座固定在支承物上而构成的 支座称为固定铰链支座，简称铰支座。铰支座约束的约束力在垂直于圆柱销轴线的平面内，通过圆柱销中心，方向不定，通常表示为相互垂直的两个分力。 10.辊轴支座：将结构物或构件的铰支座用几个辊轴支承在光滑的支座面上，就称为辊轴支 座，亦称为可动铰链支座。辊轴支座约束的约束力应垂直于支承面，通过圆柱销中心，常用F N表示。 11.链杆约束：为双面约束。两端用光滑铰链与其他构件连接且不考虑自重的刚杆称为链杆。 链杆约束的约束力沿链杆两端铰链的连线，指向不能预先确定，通常假设链杆受拉。12.解除约束原理：当受约束的物体在某些主动力的作用下处于平衡，若将其部分或全部的 约束除去，代之以相应的约束力，则物体的平衡不受影响。
磁场专题(磁约束,旋转圆)
带点粒子在磁场和复合场中的运动专题 一、复合场中有约束的直线运动 1、如图所示，一个带负电的滑环套在水平且足够长的粗糙绝缘杆上，整个装置处于方向如图所示的匀强磁场B 中．现给滑环一个水平向右的瞬时速度，则滑环在杆上的运动情况可能是( ) A ．始终做匀速运动 B ．先做减速运动，最后静止在杆上 C ．先做加速运动，最后做匀速运动 D ．先做减速运动，最后做匀速运动 2、如图所示为一个质量为m 、带电量为+q 的圆环，可在水平放置的粗糙细杆上自由滑动，细杆处于磁感应强度为B 的匀强磁场中，圆环以初速度v 0向右运动直至处于平衡状态，则圆环克服摩擦力做的功可能为 （ ） A ．0 B ． C ． D ． 3、如图所示，一个带负电的滑环套在倾斜且足够长的粗糙绝缘杆上，u
约束条件在理论力学问题解决中的应用
第22卷 湖北师范学院学报(自然科学版)V o l 122第3期Journal of H ubeiN o r m al U niversity (N atural Science )N o 13,2002 约束条件在理论力学问题解决中的应用 朱 松 樊东红 (湖北师范学院物理系,湖北黄石 435002) 摘要:在理论力学问题的分析、解答过程中,理解、利用各种约束,特别是一些不易引起注意的运动约束,对寻找思路和解决问题有重大作用。除加强基本概念和基本规律的训练,建立和正确理解质点、刚体等模型之外,有必要强调约束条件的寻找和利用。 关 键 词:理论力学;约束;约束方程 中图分类号:O 313.3 文献标识码:A 文章编号:100922714(2002)0320104205 理论力学是大学物理专业的一门理论物理课。学生在学习本课程中往往对基本概念、基本规律的理解不易深透,解题感到困难,甚至无从下手。学生必须通过习题练习,才能加深对知识的理解,培养自己提出问题、分析问题、解决问题的能力。因此,以诱导学生理论联系实际,提高学习能力为主要目的的习题课成为理论力学教学过程中的重要一环。在辅导解题的过程中,除强调基本概念和基本规律的应用,培养将数学结果、文字描述化为清晰的运动或动力学过程图象的能力之外,引导学生学会利用约束条件往往成为他们解题的一个突破口。实际上,质点、刚体等模型的动力学过程都会受到除物理规律外某种条件的制约,这样才有了多姿多彩的运动变化。抓住一个这样的约束条件,就多提供一个方程,为问题的解决创造了条件。 下面谈谈本人在辅导学生利用约束条件时的一些体会。 1 利用适当的变换识别约束条件 有时,约束条件不明显或是不易引起注意,甚至让人觉得想当然而不能说明理由。这时,可通过物理规律来说明、验证或者将约束形式转换为另一种容易理解的形式 。 图1 杆在半圆周内滑动 例1 长为L 的杆AB 在一固定平面内运动。其A 端在半径 r (r ≤L 2)的固定圆周里滑动,而杆本身则于任何时刻均通过此圆周的M 点。试求杆的转动瞬心。 解 利用作图法。杆A 端轨迹为固定圆周,故V A ⊥OA ,切圆 周于A ;杆上点M 处速度V M 方向沿杆A B 向。则过点M 作M C ⊥ A B ,交A O 延长线于点C (如图1),点C 即为转动瞬心。 M 处的约束为运动约束,限制了杆A B 上M 处的动点M 的 速度取向。学生对固定圆周上约束——定点M 的作用有疑问,为 加深对这种约束的认识,以下从两个方面来解释。 以固定圆周上点M 为极点,极轴通过圆心O (如图1),则杆上距离杆A 端a 处点P 的极矢为〔收稿日期〕 2002—03—28 〔作者简介〕 朱 松(1971— ),男,硕士? 401?
等离子体讲义02
第二章，磁约束聚变装置的类型 2.1 磁约束聚变装置的分类 如前所述，磁约束聚变装置从形态上可分为开端装置和环形装置两类。环形装置的磁场位形是环拓扑的，形状多为圆环形，但也有少数跑道形（如运动场上的跑道）的。为了实现磁力线的旋转变换，避免漂移带来的粒子损失，必须产生极向磁场，和环向磁场合成为螺旋磁场结构。而产生极向磁场的方法，在托卡马克为环向等离子体电流，在仿星器则为外螺旋线圈。仿星器是稳态运转的。托卡马克是准稳态运转的，一次放电时间为几十毫秒到几分种，但是将来可以做到稳态。近年来，发展了一种球形托卡马克，又称球形环。它的磁场位形类似托卡马克，但大半径和小半径之比（环径比）较小，因而等离子体近似球形。 开端装置的代表为磁镜。它是利用磁镜原理建造的，也有很长的发展历史，经历了简单磁镜、标准磁镜和串列磁镜几种类型。磁镜也属于稳态运转的类型。 从时间尺度上看，还有一种称为快过程的装置。它的一次放电时间在几十到几百微秒，属于一种高电压大电流的脉冲放电技术。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。它们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。它们的位形接近球形，主要有场反位形、球马克。有时也将球形环归入其中。 我们可按放电时间和等离子体位形将不同类型的装置分类，如图2-1所示。为了比较，我们将激光聚变也列入。 不同种类的装置，或者说不同的技术途径都为聚变研究作出了贡献。很多种类的装置在将来都有可能做成反应堆提供聚变能源。了解不同类型装置的原理和特征对研究某一类型如托卡马克是有好处的。我们将介绍几种主要磁约束聚变装置类型。
2.2 托卡马克 1，结构和特点 结构托卡马克装置是苏联人提出并首先发展的。这一名词从俄文Токмак而来，其前3字母是环形，后3字母是磁场的意思。综合来说，是强磁场环形装置。因为它的另一特点是有环向等离子体电流，所以也可称为环流器。 图2-2 托卡马克装置原理 这一装置的运行原理见图2-2。主要部件一为环向磁场线圈。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。 除去变压器外，还有部分极向场线圈产生用于维持等离子体平衡的垂直场。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，所以另一重要部件是真空室及抽气系统。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。 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。稳态等离子体电流的径向分布，或者说其轮廓，是由等离子体的电阻分布决定的。而等离子体电阻决定于等离子体参数（温度、密度、杂质含量）。等离子体参数决定于加热和输运过程。加热和电流分布有关，输运则取决于多种因素，和微观几宏观不稳定性有关。这样，就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。此外，由于等离子体电流的存在，可能发生一种破裂不稳定性。它可能引起重大的工程事故，必须避免。 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，
核聚变方式及装置、原理介绍
13SP02340600 《核工程概论及实践》 课程设计 核聚变装置原理及结构梳理 学号 姓名 院系 专业 完成日期 设计类型 得分
摘要 核聚变作为正在研究中的新能源，除了托卡马克装置以外还有包括仿星器、磁镜、反向箍缩和球马克在内的其它磁性约束装置；此外还有激光点火的惯性约束方案。本文主要介绍以上方案的原理和装置结构，由于接触时间有限，不对相关技术进行评价。 关键词：核聚变；托卡马克；仿星器；磁镜；反向箍缩；惯性约束
目录 摘要 ................................................................................................................................................... I 第一章托卡马克装置结构及原理. (1) 1.1约束的含义 (1) 1.2 托卡马克中磁约束的基本原理 (1) 1.3托卡马克系统的结构 (2) 1.4 本章小结 (4) 第二章其他磁性约束方式 (5) 2.1 仿星器 (5) 2.2 磁镜 (5) 2.3 反向箍缩 (6) 2.4 本章小结 (6) 第三章惯性约束方式原理 (7) 3.1 惯性约束的原理和实现 (7) 3.1.1 惯性约束的原理 (7) 3.1.2 实现手段 (7) 3.2 惯性约束聚变堆方案 (8) 3.3 本章小结 (8) 参考文献 (9)
第一章托卡马克装置结构及原理 托卡马克装置作为上世纪六、七十年代以来一直占据核聚变研究中心的聚变装置，目前在所有方案中取得的成果最为突出，如等离子体温度最高，（脉冲）功率最大，最先实现全超导等等，当然这得益于许多科学家的奉献和更多资金的投入。总的来说，尽管所有方案离商用发电都很遥远，但托卡马克是目前来看最有前途的聚变装置。 1.1约束的含义 核聚变必须使聚变材料的温度、密度和这种高温高压状态维持的时间（约束时间）的乘积满足劳森判据才能实现。 由于核聚变反应温度超高，即使最容易的氚-氘反应也要求反应温度大于5000万度才能大量进行；此时的核材料呈现为物质第四态——等离子态。 图1-1 日冕中的等离子体 等离子体是宇宙中很常见的物质形态，如太阳就是有等离子态的物质组成的，只不过如图1-1中日冕中等离子体温度为几千度，而聚变堆中由于体积限制，要求温度达到上亿度。 为了维持这类极高温的等离子体不消散掉，就需要各种各样非接触式的方法。首先想到的方法就是利用电磁场来约束带电的等离子体，而第二种方法则利用激光推动核材料聚集。 1.2 托卡马克中磁约束的基本原理 图1-2是ITER项目公布的托卡马克设计图，可以看到反应腔内等离子体截