磁约束受控热核聚变研究中的物理问题

• 环状位形中捕获粒子的香蕉轨道
• 经典扩散、新经典扩散和反常输运： D ， D ( r ) • 实验发现，离子和电子横越磁力线的热扩散系 数分别约为新经典理论预言值的十倍到一百倍 • 漂移运动和微观不稳定性：ITG,ETG,TEM…. • 集体效应主导的输运
2
2
• 有待解决的基本问题: 1,离子能量的反常输运:湍流的发展过程、饱和 机制、饱和幅值及其与等离子体参数的关系等， 仍然不能从理论上准确计算离子的热传导系数; 2,电子能量反常输运:引起反常输运的微观不稳 定性的驱动机制;湍流的发展过程、饱和机制、 饱和幅值及其与等离子体参数的关系等; • 这将是今后一段时间各国的研究人员从理论、 计算机数值模拟和实验等方面进行深入研究的 一个课题。
HL-2A is a divertor tokamak constructed at SWIP new site based on original ASDEX main components(magnet coils and vacuum vessel) and based on the experiences from HL-1/1M.
Cryostat
Toroidal Field Coil Nb3Sn, 18, wedged 24 m high x 28 m dia. Port Plug (IC Heating) 6 heating 3 test blankets 2 limiters/RH rem. diagnostics
Fusion Power: 500 MW Plasma Volume: 840 m3 Nominal Plasma Current: 15 MA Typical Temperature: 20 keV Typical Density: 1020 m-3
谢谢！
磁约束受控热核聚变研究中的 物理问题
董家齐 核工业西南物理研究院 浙江大学聚变理论与模拟中心
概要
一、引言 二、高温等离子体的约束和输运 三、磁约束等离子体中的自组织现象 四、磁场重联和等离子体流 五、ITER 简介 六、结束语
一、引言
• 受控核聚变在现代物理学中的地位 ：2003年诺 贝尔物理学奖获得者Vitaly L. Ginzburg在他的 获奖演说中列出了二十一世纪初物理学的三十 个重要领域（“physical minimum” at the beginning of the XXI Century）。出人意料的是， 他没有把让他走上领奖台的研究领域-超导和超 流，而是把受控核聚变(controlled nuclear fusion)列于其首[1]。在对此作解释时，他提到 了1978年诺贝尔物理学奖获得者P. L. Kapiza的 获奖演说的题目是：等离子体和受控热核反应。
• 受控热核聚变是与将来的经济发展、社会进步、人类 文明密切相关的有广阔应用前景的重大研究领域。 • 受控热核聚变研究中有极具科学探索性和对人类智慧 的挑战性的基础科学问题。 • 受控热核聚变研究的基本思想: 氢（氘和氚） → 等离子体(电子和原子核混合而成的 完全电离气体)→高温等离子体→核聚变 • 磁约束聚变(托卡马克)和惯性约束聚(激光打靶和Z箍 缩) • 受控热核聚变研究中，无论磁约束还是惯性约束或Z 箍缩中，都存在很多有普遍科学意义的问题。我们将 简要介绍磁约束聚变研究中的几个物理问题。
1，电子温度分布的剖面不变性：
• 模型：电子温度梯度(ETG)驱动的湍流支配电 子能量的反常输运； 温度分布陡（温度梯度大）→湍流发展→输运 系数增加→温度分布变平→温度梯度低于一定 的阈值→湍流就消失→输运系数就降到新经典 理论预言的值→温度分布变陡。 • 自洽平衡的结果，就使得电子温度梯度保持在 阈值附近而呈现某种不变性。虽然线性理论求 得的ETG模的不稳定阈值与实验结果很接近， 但理论计算和数值模拟得到的ETG模引起的输 运系数都远小于实验观测值。因此，理论仍然 不能定量解释并预见电子温度分布的剖面不变 性这种自组织现象。
• 由L模向H模转变的这种突变很像非线性 力学中的分叉现象,它是由等离子体自发 产生的，是一种自组织现象。但是，其 具体的转变条件，机制、控制参量及其 对等离子体参数的依赖关系等，目前仍 然缺乏定量的理论描述。 • 等离子体的离子（电子）温度分布会在 空间的某个位置附近变得很陡而形成内 部输运壁垒
四、磁场重联和等离子体流
• 磁场重联是在太阳和宇宙空间普遍存在的自然现象。 它指的是在一定的条件下，原本互相平行的磁力线会 相交并重联。 • 磁约束聚变等离子体中存在极其 丰富的磁场重联现象。其中比 较典型的是由撕裂模的非线性 发展引起磁场重联而产生的 磁岛结构。
• 磁约束聚变等离子体是研究磁场重联的好环境 • 问题：撕裂模引起的磁岛结构使等离子体内部 区域的磁力线与外部区域的磁力线（磁场）重 联。这就使重联区域的温度分布变平（沿磁力 线温度近似为常数）而等离子体约束应变坏。 但是，实验发现，在一定的条件下，在容易形 成磁岛的区域，而且，输运垒往往与磁岛 相伴出现。这种现象在实验中经常观测到，但 至今没有完整的理论解释。
• EAST
六、结束语
• 受控核聚变与等离子体物理紧密相关。而后者是物理 学的一个新分支，理论体系和实验手段都在快速发展。 • 在美国，等离子体物理已经被约50所大学列入物理系 本科学生的课程，不少比较好的大学，都有这方面的 研究生专业。在日本，欧洲，从事这方面研究的大学 也不少。 • 在我国，这个分支还不为多数物理学工作者所熟悉。 • 受控核聚变等离子体物理研究中面临的问题与现代物 理学的一些基本问题紧密相关。 • 希望有关专家关注这些问题。 • 希望使对物理学有兴趣的年轻人知道，受控核聚变研 究不但是有广阔应用前景的重大研究领域，在开发核 聚变能源的过程中，还有很多探索未知世界，认识物 理学基本规律的机遇和挑战，很值得有志青年为之奋 斗，为之献身，实现自己的理想和抱负。
• 内部输运垒的产生也不是由外部控制的， 连其产生的位置也是不可预见的
• 实验似乎表明，对磁约束等离子体系统， 存在多个准平衡态，在一定的条件下， 系统可以在各个态之间过渡。找到各种 可能的准平衡态并探索系统在其间转换 的条件或几率，是今后一段时间该领域 的一个重要课题。
3,湍流自组织过程产生的带状流和束流 （zonal flows or/and streamers）也是当前 聚变科学界注意的一个焦点
• 受控核聚变：是让轻原子核（主要是氢及其同 位素氘和氚）聚合所产生的核能以可控的方式 释放出来并有可观的能量增益的核反应 D+D→T(1.01 Mev)+P(3.03 Mev) D+D→He3(0.82 Mev)+n(2.45 Mev) D+T→He4(3.52 Mev)+n(14.06 Mev) • 氢弹爆炸是核聚变反应，但它是瞬间的、不可 控的。 • 太阳上的核聚变反应是持续的、不可控的。 • 受控核聚变能源：资源丰富（足够用上几百亿 年）、洁净（无污染）、安全（核事故概率几 乎为零）且经济（消费者可以承受）
五、ITER (International Thermonuclear Experiment Reactor) 简介
Central Solenoid Nb3Sn, 6 modules Blanket Module 440 modules Poloidal Field Coil Nb-Ti, 6 Vacuum Vessel 9 sectors
三、磁约束等离子体中的自组织现象
• 磁约束等离子体是一个非平衡态多体系统 • 磁约束等离子体是一个自由度十分巨大、具有丰富的 集体运动模式的复杂系统 • 磁约束等离子体中存在丰富的非线性的力学和电磁效 应 • 磁约束等离子体中观察到众多自组织物理现象,这些现 象都可看作是非线性力学系统中的自组织现象在磁约 束等离子体中的具体表现，具有很重要的普遍意义， 同时又很典型，内容很丰富 • 有丰富的实验数据,但通过对资料和数据的分析去探索 其背后的深层次的物理机理的工作，亟待发展
二、高温等离子体的约束和输运
• 受控核聚变要解决的首要问题：将高温、高密等离子 体约束在有限的范围内达到足够长的时间→在单位时 间内发生足够多的核聚变反应 • 带电粒子在磁场中的运动：沿磁力线自由运动+在垂直 于磁场方向的回旋运动 c 2T m / qB • 环形磁约束系统：托卡马克（a）和仿星器(b)
Divertor 54 cassettes
Torus Cryopump 8 units
China’s participation in the ITER project
• China announced to join the ITER project negotiation with commitments at the end of 2002. • The six parties (CN, EU,KO, JP, RU, US) agreed to select Cadarachi as the ITER site in Oct. 2005. • The negotiation for International Agreement was finished in March 2006, . • The Ministers of 6+IN signed the ITER International Agreement in May 2006.
2，输运壁垒(Transport Barrier)：
• 等离子体能量约束的低（L-）模：
E E /( dE / dt ) P
0 .5
• 等离子体能量约束的高（H）模： 在一定的条件下，当非欧姆加热 功率超过一定的阈值时，等离子 体会发生向高（H）约束模式的 突变。H模的一个特点就是等离 子体的密度和温度在等离子体 边缘部分会很快变陡而形成台基状的边缘输运壁垒