托卡马克装置
托卡马克装置
ASIPP
HT-7
等离子体磁通函数
对托卡马克平衡的等离子体而言，其基本的条 件是在等离子体区域内，所有位置上的等离子 体受力均为0，这个就要求磁场力与等离子体 压力平衡。
(1)沿着磁力线无等离子体压力梯度。 (2)在同一磁面上等离子体压力均相同。 (3)等离子体电流密度线也位于同一磁面上。
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托卡马克装置的磁场形态
螺距大，旋转变换角很小。在角向 值p 不大时的情况下，磁面 与子午面的交线，是以小环中心为圆心，r为半径的一系列同 心圆。而当 值 p 相当大时，磁面的形状将发生显著的改变，它 们的中心会向外移动，移动值随着圆的小半径的减少而增加等 离子体柱的磁轴相对于导电壳中心的位移最大。
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等离子体(Grad Shafranvo)平衡方程
对于托卡马克平衡而言，它有两个基本 的出发点：
(1)磁压和内部的等离子体压力是平衡的。
(2)由外部线圈的电流决定了等离子体的 位置、形状和电流大小。
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等离子体在环形螺旋磁场中的平衡
由于托卡马克中等离子体的质量是非常小的，一般仅10-4克 /m3，依电动力学的一般规律，等离子体向受有向外扩张的力， 其受力是很大的，一般为10吨/m3，在托卡马克装置中依靠角 向磁场和纵向磁场的磁压力加以平衡，这些磁场产生无限的 嵌套的磁面，其磁力线则沿螺旋线围绕着此环：等离子体的 声速一般为105～106m/s，因此在沿磁力线方向很快地便可达 到压力平衡。各个不同的磁面上的磁力线是不同的，就是由 于此剪切，才使等离子体能很好地平衡。磁面上扭曲的磁力 线一般用安全因子q描述，此剪切是由径向的q值确定。具有 回转变换的环形螺旋磁场，对于单个带电离子来说，是个很 好的约束。但是，这种磁场系统对于保持等离子体柱的宏观 平衡态还是不够的。这是因为载流的环形等离子体柱有向外 扩张的趋势，如不设法加以平衡，等离子体就会碰到器壁。
tokamak优缺点简析
量消耗和设备费用的开支。 就中性粒子束电流驱动而言，为了有效地加热等离子体，所注入的中性粒子 束束流功率必须足够大， 以使粒子束能到达等离子体的中心区域，否则粒子束只 能加热边缘区域的等离子体， 使这些区域的等离子体粒子撞击真空器壁，不仅损 失能量，还会把杂质带入等离子体。
等离子体
中性
图 5.中性束注入导致等离子体速率分布的变化[3]
图 1.托卡马克装置示意图[3]
1.2 托卡马克核聚变实验装置
“超导托卡马克核聚变 ”实验包括一个具有非圆小截面的大型超导托卡马克 实验装置和低温、真空、水冷、电源及控制、数据采集和处理、波加热、波驱动 电流、诊断等子系统。其中超导托卡马克装置是本项目的核心。而超导托卡马克 装置又包括超导纵场与极向场磁体系统、真空室、冷屏、外真空杜瓦及面对等离 子体部件等部件[2]。承担各部件设计的工程技术人员，在充分集思广益、充分发 挥创新能力的基础上,借鉴国际上同类装置的经验,通过一丝不苟的努力工作，目 前各项工作的进展呈良性循环， 设计推动了预研工作的进行，预研工作的结果又 使设计得到进一步优化。
图 2.托卡马克装置中的磁场旋转变换[3]
粒子回旋中心沿一根磁力线运动时，因磁场旋转变换，粒子回旋中心有时在 环的外侧 （磁场较弱） ， 有时又绕到环的内侧 （磁场较强） ， 对于运行的粒子而言， 这种磁场强弱变化类似于磁镜场的结构，于是在其中运行的粒子分为两类：粒子 运动速度与磁场夹角较小，即平行分量 v|| 较大，这种粒子在绕磁力线运动时能通 过较强磁场区域，这类粒子称通行粒子；速度的平行分量 v|| 较小的粒子，绕磁力 线运动时，不能通过较强磁场区域，只能在两个相邻的强磁场区域间来回反射， 这类粒子称捕获粒子。 可以证明，对于通行粒子而言，其运动轨道方程为
托卡马克装置原理 ppt课件
e
1.65 10 9 ln / Te3/ 2 (ohm m)
例：Zeff=1.5, qaq0=1.5, A=R/a=3, Tmax=0.87Bt4/5
在方程中使用漏感
磁化电流产生的磁场：假设磁场垂直铁芯表面
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12
平衡场（成形场）线圈
理想的加热场和平衡场
平衡形态计算
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ＨＬ－２Ａ 极向场系统
13
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
磁 环向场 场 系 统 极向场
加热场 平衡场 矫正场
垂直场 水平场
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弹丸产生和加速技术
为什么要加料？ １，补充粒子损失 ２，增加等离子体密度 ３，补充燃烧损失（堆）
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21
JT-60装置上的弹丸注入设备
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
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22
辅助加热和非感应电流驱动
欧姆加热的缺点：
Spitzer电阻率
0.51
me ne e 2
等离子体参数
欧姆加热
输运
电流轮廓
因果关系构成闭环，是一种自组织性
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3
托卡马克的缺点
欧姆加热的弱点：η ∝Ｔ－３／２，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
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．
聚变中子辐射造成的材料问题
ppt课件
TEXTOR94 Julich 1.75
1.1 4.2 2.5 0.8 5.0 2.2 1.25 3.5 5.0 0.67 2.1 1.6 0.37 4.5 0.68 0.8 4.5 2.0 0.5 3.9 1.4 0.3 8.0 1.3 0.46 2.8 0.8
托卡马克装置原理
精品课件
20
加料方法
吹气(gas puffing) 弹丸注入(pellet injection) 超声分子束
弹丸产生和加速技术
为什么要加料？ １，补充粒子损失 ２，增加等离子体密度 ３，补充燃烧损失（堆）
精品课件
21
JT-60装置上的弹丸注入设备
超声分子束注入技术
0.37 4.5 0.68
Tore Supra Cadarache 2.37
0.8 4.5 2.0
ASDEX-U Garching 1.65
0.5 3.9 1.4
FTU
Frascati 0.93
0.3 8.0 1.3
TEXTOR94 Julich 1.75 0.46 2.8 0.8
TCV
Lausanne 0.88 精品课0.件24 1.4 0.17
针对ELM, H模的能量约束时间定标律IPB98(y,2)
t,9 h y 2 8 0 .0I 5 p 0 .9 B t 0 3 .1 6 n 1 0 5 .4 P 9 2 L 1 0 .6 R 1 9 .90 7 .5a 0 8 .7 M 8 0 .19
精品课件
5
主要大中型托卡马克装置（国外）
装置名称
地点
大半径 小半径 磁场 电流
(m)
(m) (T) (MA)
JT-60U
JAERI
3.4
1.1 4.2 2.5
TFTR Princeton 2.4
0.8 5.0 2.2
JET
Abinhdon 3.0
1.25 3.5 5.0
DIII D
GA
1.67 0.67 2.1 1.6
托卡马克装置磁场位形
托卡马克装置磁场位形托卡马克装置磁场位形，听起来好像是某个外星科技的名字，其实它可是一项很酷的科学发明呢！要是你喜欢太空、能量，甚至是各种高科技的东西，这个话题肯定会让你眼前一亮。
想象一下，科学家们在实验室里忙忙碌碌，操作着这些巨大的设备，像是在演绎一场科幻大片。
托卡马克的设计灵感来源于控制等离子体，简单说就是把超高温的气体放在一个磁场里，让它们乖乖地待在一个特定的区域，绝对不让它们逃跑！这就像是在给这些调皮的小气体们穿上了一条看不见的“围栏”，嘿嘿，聪明吧！想象一下那种场景。
科学家们就像魔法师一样，挥舞着他们的“魔杖”，用磁场把气体聚集在一起。
这个磁场可不是随随便便的，而是要经过精心设计的。
托卡马克的磁场分布就像是一幅艺术作品，复杂而又美丽。
你能想象吗？一个个线圈环绕在一起，形成了一个完美的“甜甜圈”形状，嗯，这个“甜甜圈”可不是让你吃的，而是用来稳定等离子体的。
不过，光有形状还不够，磁场的强度、方向，甚至变化的速率，都必须经过细致的调校，这就像是做菜，火候和调料的比例都得恰到好处，才能做出一盘美味的菜。
说到这里，不得不提一下等离子体。
它可是宇宙中最常见的物质状态，像是星星、太阳，甚至闪电都是它的身影。
托卡马克要做的就是把这些“宇宙明星”收集起来，像是在进行一场壮观的星际舞会。
想象一下，数以亿计的气体分子在那个“甜甜圈”里欢快地旋转，温度高得让人不敢想象，真是让人心跳加速呀！不过，调皮的等离子体可不是那么好控制的，有时候它们会突然“发脾气”，这就是科学家们需要费心思去解决的问题。
只要稍微不小心，就可能发生一些意想不到的情况，哎，真是让人操心啊。
说到托卡马克的未来，科学家们可是充满了期待。
它的目标是实现核聚变，简单来说，就是模拟太阳的能量产生过程。
这可不是小打小闹，而是要为人类带来几乎无穷无尽的清洁能源。
想象一下，如果托卡马克真的成功了，我们就可以告别那些污染严重的化石燃料，迎接一个崭新的能源时代。
CT-6托卡马克装置—中国第一台托卡马克核聚变实验装置
CT-6托卡马克装置—中国第一台托卡马克核聚变实验装置作者：暂无来源：《军事文摘·科学少年》 2015年第6期在中国科学技术馆展馆外，陈列着一个样子奇特的静态装置，它就是—CT- 6托卡马克装置。
它是我国第一台托卡马克核聚变实验装置，由中国科学院物理研究所和电工研究所于1974年建造，曾获1978年全国科学大会一等奖。
什么是核聚变核聚变指由质量小的原子核，主要指氘或氚核，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核聚合反应，生成新的质量更重的原子核，并伴随巨大的能量释放的一种核反应生成过程。
与传统化石能源相比，核聚变燃料储备丰富，海水中氘的储量足够人类使用几十亿年。
另外，核聚变反应的废物为氦，对环境无污染。
托卡马克用来做什么早在20世纪50年代，人类就已经实现了核聚变—氢弹爆炸，从那时起，物理学家们就一直梦想着能够通过原子核聚变产生廉价、安全且丰富的能量，但氢弹的爆炸是不可控制的。
人类若想有效利用核聚变能量，必须合理控制核聚变的速度和规模，实现持续平稳的能量输出。
托卡马克就是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形装置。
托卡马克（Tokamak）一词来源于环形和磁场的俄文。
在中国科技馆展出的托卡马克装置于1974年建成并运行，2000年被关闭，2003年由中国科学院物理研究所捐赠给中国科学技术馆。
托卡马克如何运行托卡马克主体结构由环形真空室、环向磁场线圈、铁心变压器、平衡磁场线圈和底座组成。
除了展出主体，还有电源和传输系统、抽气和充气系统、控制系统、诊断系统、数据采集系统。
托卡马克是一个脉冲运行的环形装置，通过磁场约束等离子体，创造氘、氚发生聚变的超高温环境，实现对聚变反应的控制。
它的特点是存在环形等离子体电流，采用角向磁场和环向磁场组成螺旋形磁场约束等离子体，保证等离子体的平衡并抵御各种不稳定性。
托卡马克运行时，先将真空室抽空，并充以一定的工作气体；环向场线圈放电产生环向磁场；变压器初级线圈通电产生环向电动势，在环形真空室内击穿，形成等离子体和其中的环向电流，电流作为变压器的次级继续维持并加热等离子体至高温。
托卡马克基本结构
托卡马克基本结构托卡马克（Tokamak）是一种用于核聚变实验的装置，采用环形磁场来限制等离子体，并通过加热等离子体使其达到高温和高密度。
它是目前研究核聚变最常用的装置之一。
托卡马克基本结构包括等离子体、磁场线圈、真空室和加热系统等。
1. 等离子体等离子体是托卡马克的核心部分，它是由气体在高温和高压下电离而形成的第四态物质。
等离子体的主要成分是氢的同位素氘和氚。
在托卡马克中，通过加热和注入气体等方式，使等离子体达到高温和高密度的条件，以便进行核聚变反应。
2. 磁场线圈磁场线圈是用于限制等离子体运动轨迹的重要部件。
托卡马克采用环形磁场，通过磁场线圈产生强大的磁场，将等离子体约束在环形空间内。
磁场线圈通常由超导材料制成，以保持长时间的稳定运行，并减少能量损耗。
3. 真空室真空室是托卡马克中用于保持低压环境的容器。
由于等离子体的存在，需要在托卡马克中维持较低的气压，以避免等离子体与气体相互作用。
真空室通常由金属材料制成，具有良好的密封性和耐高温性能。
4. 加热系统加热系统是用于提供能量给等离子体，使其达到所需的高温状态。
托卡马克中常用的加热方式包括射频加热、中性束注入和电子回旋共振加热等。
这些加热系统能够向等离子体注入高能量的粒子，增加其运动速度和碰撞频率，从而提高核聚变反应的概率。
5. 真空抽取系统真空抽取系统是用于维持真空室内的低压环境的装置。
由于托卡马克需要在低压环境下运行，所以需要通过真空抽取系统将气体抽取出去，以保持真空室的良好工作状态。
真空抽取系统通常由真空泵和气体处理装置组成。
6. 真空检测系统真空检测系统用于监测和控制真空室内的气压和气体成分。
通过真空检测系统，可以实时监测真空室内的气压，并及时采取措施调节真空抽取系统的工作状态。
真空检测系统通常包括压力传感器、气体分析仪和控制系统等。
7. 数据采集和控制系统数据采集和控制系统用于采集和处理托卡马克运行过程中的各种参数信息，并对托卡马克进行实时监控和控制。
托卡马克装置
●托卡马克装置：●核反应有聚变、裂变两种方式。
●核裂变：就是一个大质量的原子核（如铀(yóu)、钍(tǔ)、钚（bu）等）吸收一个中子后分裂成两个或更多个质量较小的原子核，同时放出二个到三个中子和很大的能量，●又能使别的原子核接着发生核裂变，使过程持续进行下去，这种过程称作链式反应。
●如原子弹爆炸。
●核聚变：由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温（近亿度）和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。
如氢弹爆炸。
●托卡马克装置又称为托卡马克环流器，是一种受控核聚变实验装置。
●受控核聚变的优点：●一是理论和实践都证明，核聚变比核裂变释放出的能量要大得多；●二是资源蕴藏丰富，作为重核裂变主要原料的燃料铀，目前探明的储量仅够使用约一百年，而轻核聚变用的燃料氘在海水中储藏丰富，1升海水可提取30毫克氘，通过聚变反应能释放出相当于300公升汽油的能量。
可谓取之不尽，用之不竭；●三是成本低，1公斤浓缩铀的成本约为1.2万美元，而1公斤氘仅需300美元；●四是安全可靠，万一发生事故，反应堆会自动冷却而停止反应，不会产生放射性污染物，不会发生爆炸事故。
（日本福岛核电事故：断电无法提供冷却水，由于裂变产物衰变释放热量，使核燃料组件温度升高，压力容器内气压升高，工作人员为减压，释放压力容器内的水蒸气，使核反应堆失水，部分燃料爆露出水面，温度继续升高，使露出的燃料棒的锆合金包壳融化，于是放射性的裂变产物便释放出来，并随减压释放出的水蒸气一起排入大气，造成污染。
）●托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。
在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。
●2006年9月28日，中国耗时8年、耗资2亿元人民币自主设计、自主建造而成的新一代热核聚变装置EAST首次成功完成放电实验，获得电流200千安、时间接近3秒的高温等离子体放电。
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托卡马克装置等离子体 平衡和控制
Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences
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托卡马克装置等离子体平衡和控制
托卡马克装置的发展历史 托卡马克装置工作的基本原理 等离子体(Grad Shafranvo)平衡方程 非圆截面等离子体平衡反演技术 托卡马克装置等离子体电磁测量概述 HT-7等离子体平衡和控制 EAST等离子体电流、X点位置和位形控制
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等离子体在环形螺旋磁场中的约束
应该注意，如果有了磁场误差或其它的非轴对称磁场， 则磁力线在多次绕环以后，它们常常和器壁相交，粒 子也就约束不住。在托卡马克装置中一个无法避免的 缺陷是装置只能使用有限个纵场线圈，引起纵向磁场 的起伏，这就会沿磁力线产生非常浅的局部磁镜，它 们能够捕获一小部分等离子体粒子：这种粒子既不围 绕环的小截面画圆圈，也不相对于赤道平面对称地被 捕获，它们将漂移出系统：除了这些磁捕获效应以外， 一个电场本身或者和磁场一起也能引起粒子捕获，使 粒子回旋中心轨道发生很大的变化：为了减小磁场误 差，一般需要细致的进行纵场线圈的设计。
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托卡马克装置工作的基本原理
a:等离子体 b:平衡场线圈 c:真空室 d: 纵场线圈 e:铁芯变压器
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托卡马克装置工作的基本原理
托卡马克是一种轴对称的环形系统，就产生准稳态高 温等离子体装置的几何观点来看，它是闭合磁约束系 统中最简单的系统。典型的托卡马克装置如图所示。 它主要由激发等离子体电流的变压器(铁芯的或空芯 的)、产生纵磁场的线圈、控制等离子体柱平衡位置 的平衡场线圈和环形真空室组成。真空环为变压器的 次级线圈，变压器原边的电能，通过耦合引起真空环 内部感应而产生等离子体环电流。等离子体被流过它 的环形电流加热，由环形电流产生的角向磁场包围并 约束等离子体。
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等离子体在环形螺旋磁场中的约束
托卡马克装置中的磁场，是由纵向磁场和角向磁场叠加 而成的环形螺旋磁场。这是一个不均匀的磁场，在环的 外侧磁场为极小，在环的内边缘磁场为极大。因为有磁 场梯度存在，所以带电粒子通旋中心的运动是由沿磁力 线的运动和磁漂移两部分合成的。 一类是“通行粒子”或“自由粒子”，这种粒子的速度 向量与螺旋磁场之间的夹角足够小，能够通过强磁场而 不被反射回来 另一种是“捕获粒子”或“约束粒子”，这种粒子的速 度向量与磁场之间的夹角比较大，不能通过强磁场区， 只能沿着磁力线在两个强磁场区构成的局部磁镜之间来 回运动：因其轨道象香蕉，所以也叫做“香蕉粒子”。
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托卡马克装置的发展历史
托卡马克是一种准稳态环形放电装置。在环形系统中，它的结 构最简单，但是在其上所获得的等离子体参数却是到目前为止 最好的，而且有可能最先建成热核聚变反应堆。所谓托卡马克， 是指具有强磁场低“准稳态环形受控热核实验装置，是由苏联 库尔恰托夫原子能研究所的阿尔齐莫雄奇等首先提出来的。托 卡马克的发展大致可以分为下列几个阶段： 早期环形放电实验时期(1958年以前) 托卡马克概念形成时期(1958-1963年) 扩大实验阶段(1974年开始) 冲击点火条件阶段(1979年开始) 深入等离子体研究和点火条件模拟实验阶段(1982年目前)
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托卡马克装置的磁场形态
纵场线圈产生的平行于环电流的纵向磁场用于抑制等离子体的 磁流体力学不稳定性。纵场强度要比角向磁场强度大许多倍， 在正常情况下>>10，这是托卡马克与其它环形装置的主要区 别，也是它的一个主要特点。 磁场有螺旋形结构
每根磁力线构成一个磁面，有一个r值，就有一个磁面 托卡马克装置的磁面，是一个套着一个的具有磁剪切的 圆环，沿等离子体围绕一周时即闭合的那根磁力线称为 磁轴。
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托卡马克装置的磁场形态
螺距大，旋转变换角很小。在角向 值p 不大时的情况下，磁面 与子午面的交线，是以小环中心为圆心，r为半径的一系列同 心圆。而当 值 p 相当大时，磁面的形状将发生显著的改变，它 们的中心会向外移动，移动值随着圆的小半径的减少而增加等 离子体柱的磁轴相对于导电壳中心的位移最大。
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托卡马克装置的磁场形态
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托卡马克装置的磁场形态
在托卡马克装置的发展过程中，为了提高等高于体的温度 而仍保持其稳定性条件，可以设法把圆截面的等离子体沿 着大环主轴方向拉长成非圆截面(如椭圆、D型等)，这时 其磁面的截面也相应地成为非圆的截面。现代的实验结果 表明，该位形能产生高性能的等离子体，有助于高性能参 数的获得，加快了核聚变商业堆的研究步伐。 总之，托卡马克磁场结构的特点是：纵场强，角向场弱， 合成的磁力线具有旋转变换性质，并且旋转变换角很小： 这意味着螺旋磁力线沿等离子体柱大大伸展。正是由于这 个特点，使带电粒子的漂移大大减少，并为等离子体柱克 服磁流体力学不稳定性提供了条件。
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Байду номын сангаас
等离子体(Grad Shafranvo)平衡方程
对于托卡马克平衡而言，它有两个基本 的出发点：
(1)磁压和内部的等离子体压力是平衡的。
(2)由外部线圈的电流决定了等离子体的 位置、形状和电流大小。
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等离子体在环形螺旋磁场中的平衡
由于托卡马克中等离子体的质量是非常小的，一般仅10-4克 /m3，依电动力学的一般规律，等离子体向受有向外扩张的力， 其受力是很大的，一般为10吨/m3，在托卡马克装置中依靠角 向磁场和纵向磁场的磁压力加以平衡，这些磁场产生无限的 嵌套的磁面，其磁力线则沿螺旋线围绕着此环：等离子体的 声速一般为105～106m/s，因此在沿磁力线方向很快地便可达 到压力平衡。各个不同的磁面上的磁力线是不同的，就是由 于此剪切，才使等离子体能很好地平衡。磁面上扭曲的磁力 线一般用安全因子q描述，此剪切是由径向的q值确定。具有 回转变换的环形螺旋磁场，对于单个带电离子来说，是个很 好的约束。但是，这种磁场系统对于保持等离子体柱的宏观 平衡态还是不够的。这是因为载流的环形等离子体柱有向外 扩张的趋势，如不设法加以平衡，等离子体就会碰到器壁。