托卡马克等离子体约束
托克马克约束隔绝的原理
托克马克约束隔绝的原理托克马克约束隔离（Tokamak confinement）是一种用于控制等离子体的磁约束技术，被广泛应用于核聚变研究和实验中。
其原理是利用强大的磁场将等离子体束缚在一个称为托克马克装置的环形容器中，从而防止等离子体与装置壁之间产生接触并发生损耗。
托克马克装置由中央环形磁体和辅助磁体组成，通过对等离子体施加高强度的托卡马克和托卡马克方向磁场来实现隔绝等离子体的目的。
在这个装置中，等离子体得以在高温、高密度和高等离子体流动能力下稳定运行。
托克马克约束隔离的主要原理可以总结为以下几点：1. 等离子体旋涡型运动：托克马克装置通过施加辅助磁场，将等离子体引导成环形或螺旋绕流的旋涡型运动。
由于旋转运动不易与容器壁接触，等离子体可以在装置中保持稳定。
2. 磁约束力：中央环形磁体产生的磁场使等离子体受到径向向心力的约束，阻止其向容器壁靠拢。
同时，辅助磁体产生的磁场对等离子体进行磁约束，使其在环形和螺旋轨道上运动。
3. 构建平衡：通过合理设计等离子体温度、密度和流动速度等参数，使等离子体内部的压力梯度平衡于磁约束力。
这样可以防止等离子体受到不稳定的激发和扰动，确保等离子体保持稳定的约束。
4. 形成稳定流动：托卡马克装置中的等离子体经常出现扰动和不稳定行为，例如电流层、模糊区和等离子体振荡等。
为了抑制这些不稳定行为，可以通过优化磁约束、调整电流分布和施加外部反馈控制等手段来实现稳定的等离子体流动。
5. 断套模式（Disruption mode）的控制：托卡马克装置在运行过程中可能会发生断套模式，即等离子体被迅速释放到容器壁。
为了控制断套模式，可以通过增加耗散机制、调整磁约束等措施来降低等离子体的能量，并避免对设备和反应堆壁的损坏。
总之，托克马克约束隔离的原理是通过合理设计磁场结构和优化控制参数，使等离子体在强大的磁场约束和稳定的流动下保持稳定的约束状态。
这种原理和技术在核聚变研究领域发挥着重要的作用，为实现可控核聚变提供了重要的技术基础。
核聚变反应过程中的高温等离子体如何控制
核聚变反应过程中的高温等离子体如何控制在探索清洁能源的道路上，核聚变一直被寄予厚望。
核聚变反应能够释放出巨大的能量，一旦实现可控核聚变，将为人类提供几乎无限的能源供应。
然而，要实现可控核聚变，其中一个关键的挑战就是如何有效地控制核聚变反应过程中的高温等离子体。
首先，我们需要了解一下什么是高温等离子体以及它在核聚变反应中的重要性。
等离子体是物质的第四态，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离子组成的离子化气体状物质。
在核聚变反应中，需要将轻元素（如氢的同位素氘和氚）加热到极高的温度，使其原子核具有足够的能量来克服彼此之间的静电排斥力，从而发生聚变反应。
在这个过程中，物质会变成高温等离子体状态。
高温等离子体具有极高的温度和能量密度，同时也具有复杂的物理特性，这使得对它的控制极为困难。
为了控制高温等离子体，科学家们采取了多种策略和技术。
磁场约束是目前控制高温等离子体的主要方法之一。
通过在反应装置周围施加强大的磁场，可以将高温等离子体约束在一定的空间范围内，使其不会与容器壁直接接触，从而避免能量的损失和容器的损坏。
托卡马克装置就是一种常见的利用磁场约束等离子体的设备。
在托卡马克中，环形磁场和极向磁场相互配合，形成一个封闭的磁力线结构，将等离子体约束在环形的真空室内。
为了实现更好的约束效果，需要精确地设计和调整磁场的分布和强度，以确保等离子体的稳定性和约束性能。
除了磁场约束，还有一种方法是惯性约束。
这种方法是通过在极短的时间内对燃料球进行高功率的激光或粒子束照射，使其表面迅速蒸发并产生向内的压力，从而将燃料压缩到极高的密度和温度，引发核聚变反应。
在这个过程中，燃料的惯性会使得等离子体在极短的时间内保持在高温高密度的状态，从而实现核聚变。
惯性约束的关键在于精确控制激光或粒子束的能量、脉冲宽度和聚焦特性，以实现对燃料球的均匀压缩和加热。
然而，仅仅依靠磁场约束或惯性约束还远远不够，还需要对等离子体的各种不稳定性进行控制。
托卡马克等离子体约束
人类生活对能源的需求 核聚变及受控核聚变原理 等离子体约束的基本问题 等离子体约束的各种模式 等离子体输运与能量约束定标 约束改善与边缘局域模控制 总结和讨论
能量约束时间的定义
• 能量约束时间是描述等离子体最基本的参数 之一，它是衡量能量约束好坏的一个重要指 标，其定义为： E=WP/(Pt-dWp/dt) • 这里WP是等离子体总储能，Pt是等离子体 得到的净的加热功率，它提供给所有通道的 能量损失，包括辐射、热传导和对流。 • 能量约束时间表示能量被约束在等离子体内 部的存在时间，它是可以直接或间接地测量 到的物理量。
D-D 反应 D-T 反应
常用的核聚变反应
• • • •
• • 轻核聚合反应： D2+1D2→2He3+0n1+3.2MeV 1 D2+1D2→1T3+1p1+4.0MeV 1 2 3 4 1 1D +2He →2He +1p +18.3MeV D2+1T3→2He4+0n1+17.6MeV 1 故总结果： 6 1D2→22He4+21p1+20n1+43.1MeV 即每个氘核聚变后可产生约7.2MeV的能量，是 每个重核裂变释放能量0.85MeV的8.5倍，单位 质量的氘核聚变释放的能量比裂变大很多，这 是聚变反应作为一种潜在新能源的突出优点。
地球上有多少氘
• 氘（D）和氚(T）是 氢的同位素。
• 海水里含有丰富的 氘，自然界中基本 上没有氚。 如果将海水里所有 的氘全部用来发电， 将是取之不尽的能 源。
•
海水里含有丰富的氘
• 1升海水相当于340 升汽油的能量。
氚的生成
磁约束核聚变托卡马克等离子体与壁相互作用研究进展
参 数 稳 态 等 离 子 体 物 理 问 题 和 托 卡 马克 装 置 及 未 来 反 应 堆关 键 材 料 问 题 。 其 中关 键 材 料 问题 的解 决
在很 大程度上取决于我们对等离子体与壁 材料相互 作用 （ ｌｓ ａＷａｌ ｎｅａｔ ｎ ，Ｐ ） 程和机 理 Ｐａｍ ． ｌＩｔｒｃｉ ｓ ＷＩ过 ｏ
ｔ ｒ ｄ ｃ ｅ ｈｇ — ａ ａ ｔ ｒ ｔａ ｙ ｓ ｔ ｌｓ ． ａ ｄ ｔ ｅ ｏｈ ｒｉ ｈ ｗ ｔ ｈ ｏ ｅ ｔ ｅｋ ｙ ｍａｅ ａｓ ｉ ｏ ａ ａ ｓｗ ｌ ａ ｏ ｐ ｏ ｕ ｅｔ ｉｈ ｐ ｒ ｍｅｅ ｅ ｄ — ｔ ｅｐ ａ ｍａ ｈ ｓ ａ ｎ ｈ ｔｅ Ｓ ｏ ｏｃ ｏ ｓ ｈ ｅ ｔ ｒ ｌ ｎ Ｔ ｋ ｒ ｋ ａ ｅ ｌ ｓ ｉ ｎ
区域内。因此 ，Ｐ 问题 直接决定了聚变 的装置运行安全性 、壁材料 部件研 发进程和未来壁 的使 用 ＷＩ
寿命 。 弄 清 Ｐ 的各 种 物 理过 程 和机 理 并 施 以 有 效 的 控 制 ，是 未 来 核 聚 变 能 实 现 的 重 要 环 节 之 一 。 ＷＩ
对 Ｐ 国内外研究 现状进 行了详细的总结评述 ，并 阐述 了 Ｐ 的未来发展趋势 和亟待解决 的问题 。 ＷＩ ＷＩ
ｎ ｃ ｓ ａｙ ｗａ ｏ ｓ ｌｅ ｔ ｅｍａｅ ｉｌ ｒ ｂｅ ｅ ｅ ｓ ｒ ｙ ｔ ｏｖ ｈ ｔｒ ｏ ｌｍ． Ｐ Ｉ ｓａｓ ｅ ａ ｄ ｄ ａ ｎ ｆ ｈ ｅ ｓ ｅ ｒｔ ｅ ｓ ｃ ｅ ｓｏ ｔ ｒ ａｉ ｎ ｌ ａｐ Ｗ ｌｏｒ ｇ ｒ ｅ ｓｏ ｅ ｏ ｅ ｋ ｙ ｉ ｕ ｓｆ ｕ ｃ ｓ ｆ ｎ ｅｎ ｔ ａ ｉ ｔ ｓ ｏ ｈ Ｉ ｏ
托卡马克原理
托卡马克原理
托卡马克是一种目前广泛研究的聚变反应装置，通过磁约束技术将高温等离子体束缚在装置中心。
它的原理是利用强大的磁场和等离子体运动的相互作用来维持反应过程。
托卡马克的核心部分是磁体系统，由一组环形线圈组成，产生强大且复杂的磁场。
这个磁场称为托卡马克磁场，可以将等离子体束缚在装置的中心区域。
等离子体中的带电粒子受磁场力的作用而沿磁场线运动，形成环状的轨道，从而保持在装置中心。
为了维持等离子体的高温状态，通常需要用射频加热等方法提供能量。
通过向等离子体输入能量，可以使粒子的运动变得更加激烈，进而增加粒子间的相互碰撞机会。
在高速碰撞过程中，带电粒子可能会发生聚变反应，释放出更多的能量。
此外，托卡马克还需要一个火花放电器来启动反应。
通过在装置中创造一个电弧放电，可以产生足够的能量和热量，使等离子体开始加热并产生聚变反应。
一旦反应启动，磁场和加热系统将负责维持等离子体的高温状态，使聚变反应持续进行。
尽管托卡马克有许多优势，如需要的燃料资源较为充分且聚变产物安全无害等，但目前仍然存在许多技术和工程问题需要解决。
例如，磁约束系统的复杂性、等离子体的稳定性和高温下材料的耐受能力等方面都需要进一步研究和改进。
然而，托卡马克作为一种可能实现可控核聚变的装置，仍然受到广泛的关注和研究。
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。
ASIPP
ASIPP
HT-7
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。
ASIPP
HT-7
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。
ASIPP
HT-7
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。
托卡马克的磁控聚变原理解析
托卡马克的磁控聚变原理解析托卡马克（Tokamak）是一种磁控聚变装置，它在核聚变研究领域起着举足轻重的作用。
通过研究其磁控聚变原理，我们可以深入了解托卡马克的工作机制和潜力。
磁控聚变是一种利用高温和高密度等特殊条件下，将轻元素如氢气等转化为重元素的核反应。
其基本原理是通过高温等离子体的热运动使原子核以高能量碰撞，从而克服库仑排斥力，实现核融合反应的发生。
而托卡马克正是利用强大的磁场来控制等离子体，使其达到适宜的温度、密度和稳定性，从而实现磁控聚变。
首先，高温等离子体的形成是磁控聚变的关键。
在托卡马克中，通过在环形的真空室中加入高频电场和高强度磁场，使气体分子不断受到激发和电离，从而形成等离子体。
这个过程称为“起弧”，是实现聚变反应的前提条件。
其次，磁控聚变的核心在于控制等离子体的运动轨迹。
在托卡马克内部，通过强大的磁场环绕等离子体，形成环向电流。
这个磁场可以使等离子体保持稳定，避免其触碰反应室壁，同时也能够保持高温等离子体的密度。
而磁控聚变的关键问题是如何在磁场中保持等离子体稳定。
由于等离子体存在电阻，其运动会在磁场中感应涡流，从而导致能量损耗和不稳定性。
为了解决这一问题，托卡马克引入了“磁约束”和“外螺旋”来控制等离子体的运动。
通过调整磁场的形状和强度，可以使等离子体存在向心力和外力，从而使其保持在中心位置。
此外，聚变反应的可控性也是磁控聚变的重要问题。
在托卡马克中，通过调整电流、磁场和等离子体的密度等参数，可以控制反应的速率和稳定性，以实现可控的聚变过程。
尽管托卡马克的磁控聚变原理已经有了相当的进展，但仍然存在一些问题和挑战。
例如，等离子体的能量损耗、不稳定性和杂质控制等方面仍然需要进一步研究和解决。
为了实现可持续、高效的核聚变反应，还需要持续改进和优化托卡马克的设计和工作条件。
总而言之，托卡马克的磁控聚变原理是一种潜力巨大的核聚变技术，通过控制等离子体的温度、密度和运动，实现了可控的核反应。
非圆截面托卡马克等离子体边缘磁场的解析解及重构方法
非圆截面托卡马克等离子体边缘磁场的解析解及重构方法非圆截面托卡马克等离子体边缘磁场的解析解及重构方法一、引言在研究等离子体物理学中，非圆截面托卡马克等离子体边缘磁场是一个重要而复杂的问题。
为了深入了解其磁场特性，研究人员一直在寻求解析解和重构方法。
本文将围绕这一主题展开探讨，从基础概念到先进技术，为读者呈现支撑着现代等离子体研究的关键内容。
二、非圆截面托卡马克等离子体边缘磁场的基本概念1. 托卡马克等离子体的特点托卡马克等离子体是一种磁约束聚变装置，其磁场形状通常是非圆截面的。
这导致了边缘磁场的研究面临更高的复杂性和挑战性。
2. 非圆截面托卡马克等离子体边缘磁场的物理特性非圆截面托卡马克等离子体边缘磁场具有复杂的几何形状和磁场拓扑，其磁场线密度分布不规则，磁场强度和方向变化大，给研究和控制带来了很大的困难。
3. 国内外研究现状当前，国内外研究人员通过实验、数值模拟和理论分析等手段，尝试寻找非圆截面托卡马克等离子体边缘磁场的解析解和重构方法，以期更好地理解和控制其磁场行为。
三、非圆截面托卡马克等离子体边缘磁场的解析解方法1. 基于磁场模型的解析解研究人员可以通过建立合适的磁场模型，尝试推导出非圆截面托卡马克等离子体边缘磁场的解析解。
这需要考虑到等离子体密度、温度、形状等多个因素，是一项复杂而艰巨的任务，但成功地实现了会为研究提供重要的理论指导。
2. 数学方法的应用另一种解析解方法是运用数学工具，比如复杂函数论、边值问题求解等，来探索非圆截面托卡马克等离子体边缘磁场的解析解。
这种方法通常需要跨学科合作，将数学建模与物理建模相结合，挖掘更深层次的磁场内在规律。
四、非圆截面托卡马克等离子体边缘磁场的重构方法1. 基于实验数据的重构方法一种直接而有效的方法是通过实验测量，利用反问题求解技术重构非圆截面托卡马克等离子体边缘磁场的三维分布。
通过采集大量的磁场数据，结合数学建模和计算机仿真，可以还原出准确的磁场形态，为后续的实验和理论研究提供依据。
托卡马克装置等离子体平衡和控制2
ASIPP
EAST
世界上既有装置极向场线圈区分单独旳欧姆加热和 等离子体位形控制电流,而且接近等离子体。
EAST
ASIPP
EAST旳运营和控制
1, EAST 旳全部平衡位形全部由外部极向场线圈产生；
因为一种特定旳位形是由全部极向场线圈产生所以对位形旳同步控制也只 能用全部极向场线圈完毕。此时电源、测量和负载线圈构成旳系统旳响应 时间常数决定了这种控制措施可能控制旳最快位形变化；
ASIPP
HT-7
托卡马克装置等离子体 平衡和控制(2)
罗家融 Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences
ASIPP
HT-7
托卡马克装置等离子体平衡和控制
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
影响托卡马克装置放电特征旳原因诸 多，其中象杂散场、杂质等对等离子 体参数旳影响很明显。
ASIPP
HT-7
杂散场对等离子体旳行为带来严重旳影响
(1)杂散场将使等离子体发生附加位移， 造成放电特征伏安曲线不对称，并影 响击穿时间和击穿压强 (2)轴对称多极杂散场将使磁面截面发 生形变 (3)环向场平均波纹度超出1％，离子 热导损失明显增长
ASIPP
HT-7
平衡反演算法旳历史
1980年到1982年 Dr．Luxon; Dr. 阐明了在一种非线性托卡马克装置中，除了一般等 离子体旳形状以外，等离子体外部旳磁测量数据既 能够决定等离子体旳能量储存又能够很好地决定等 离子体旳电流剖面分布。但速度较慢一次反演约需 30分钟。 MFIT程序采用旳是用网格电流模拟等离子体电流剖 面分布，所以它旳计算并不复杂但精确度不够。 EFIT程序保存了MFIT网格电流程序旳计算效率经过 交叉和迭代反演来得到等离子体旳最优解，借助等 离子体平衡来约束等离子体电流旳分布，提升了精 度。
等离子体物理学中的磁约束聚变技术
等离子体物理学中的磁约束聚变技术磁约束聚变技术是等离子体物理学中的一项重要技术，被广泛应用于核聚变反应研究和未来清洁能源开发。
本文将对磁约束聚变技术的原理、应用以及未来发展进行详细介绍。
一、磁约束聚变技术的原理磁约束聚变技术的主要原理是利用强磁场将等离子体约束在一个有限的区域内，使其达到高温高密度的条件，从而实现核聚变反应。
具体来说，磁约束聚变技术主要通过以下几点来实现：首先，利用大型托卡马克装置或者磁约束球装置产生强大的磁场。
这些装置通常由超导磁体组成，可以产生足够强的磁场来约束等离子体。
其次，通过加热等离子体使其达到高温。
常见的加热方法包括射频加热、中性粒子束加热以及电子回旋共振加热等。
最后，通过恰当的磁场配置，使等离子体保持在一个稳定的状态。
这通常需要细致的磁场设计和调节，以解决等离子体的不稳定性问题。
二、磁约束聚变技术的应用磁约束聚变技术在核聚变研究和清洁能源开发方面有着广泛的应用。
首先，磁约束聚变技术是核聚变反应研究的重要手段之一。
通过探索磁约束聚变技术，科学家可以更好地理解核聚变反应的基本原理，为未来实现可控核聚变提供理论和实验基础。
其次，磁约束聚变技术有望成为未来的清洁能源之一。
由于核聚变反应释放的能量十分巨大，可以满足人类对能源的需求，同时核聚变反应几乎没有排放任何有害物质，对环境几乎没有污染。
另外，磁约束聚变技术还可以通过等离子体物理研究对天体物理学进行贡献。
例如，科学家可以通过模拟恒星内部等离子体的行为来研究恒星的演化和爆发等重要天体现象。
三、磁约束聚变技术的发展磁约束聚变技术自上世纪50年代以来经历了长足的发展，并取得了许多重要的成果。
然而，目前仍然存在许多挑战和问题需要解决。
首先，磁约束聚变技术需要解决等离子体的不稳定性问题，包括MHD不稳定性、流体不稳定性等。
这些问题对等离子体的约束和控制提出了更高的要求。
其次，磁约束聚变技术需要克服高温高密度等离子体与等离子体壁之间的相互作用问题。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
电流快上升破裂影响能量约束
• 电流快速上升容易产生电流的趋肤分 布，激发了一些较高的极向模数而引 起边缘区电流分布发生畸变 • 通过激发磁流体不稳定性而引起放电 破裂，或者通过大量产生逃逸电子诱 导放电破裂。 • 这类破裂可以通过降低电流上升率或 者让密度与电流同步上升而抑制它。
比压极限破裂影响能量约束
托卡马克等离子体的加热
通常用“聚变三乘积和增益Q值”来衡量等离子体的品质参数。 劳逊判据：要达到能量得失相当，要求等离子体密度n与等离 子体能量约束时间的乘积 n×τE的最小值约为0.6×1020m-3s， 即满足聚变反应物理可行性的最低要求。 若QDT=1，则要求nT 乘积达到 2×1021 m-3s keV
2007年8月核聚变与等离子体物理暑期讲习班
托卡马克等离子体约束
严龙文
核工业西南物理研究院, 成都 2007年8月12日于四川大学
内容摘要
人类生活对能源的需求 核聚变及受控核聚变原理 等离子体约束的基本问题 等离子体约束的各种模式 等离子体输运与能量约束定标 约束改善与边缘局域模控制 总结和讨论
平衡位移失控影响能量约束
• 平衡失控失控这种情况在实验中比较普遍， 如送气过快或加热过快引起等离子体密度、 温度的快速变化，位移控制跟不上平衡位 置的变化而引起等离子体快速靠近器壁， 增强了等离子体与器壁的相互作用，加大 了杂质辐射而引起放电破裂。 • 这种位移破裂可以通过改进位移控制技术， 即对位移进行快速反馈控制来避免。
人类生活对能源的需求日益增大
• 自从人类学会如何 使用能源使自己生 活更加舒适和方便 后，人们使用能源 的能力和对能源的 消耗就不断增加。 工业文明发展之后， 这种需求和增加就 越来越快。 为了保持人类的舒 适生活，现在对能 源的消耗极大
•
•
能源消耗图表
各种能源消耗的份额
现存能源种类 其他能源：风能、太阳能、 地热能、等 0.5%
密度极限破裂影响能量约束
• 由于辐射功率随密度近似平方增加，在接近密度极限时，大 量功率辐射会使边缘冷却，电流通道收缩，电流分布改变， 引起磁流体不稳定性，导致类似于电流极限的破裂。 • 密度极限破裂可分为电子温度分布收缩、热淬灭及电流淬灭 三个阶段。当密度超过一定值后，边缘电子温度开始冷却， 这一过程逐渐向内部区域发展，芯部电子温度不断降低，导 致热区很快收缩，此发展时间在100ms内。 • 当热区收缩到q=2面附近时，边缘热通道收缩会诱发磁流体 不稳定性，开始进入热淬灭阶段，其热等离子体柱被外区冷 等离子体包围，热区实际处于脱离状态，n=1的外部扭曲模 快速发展，导致冷等离子体与中心热等离子体的混合，促使 芯区电子温度进一步降低，热淬灭时间在10ms以内。最后进 入电流淬灭阶段，电流通道完全收缩，放电终止，其特征时 间为几十毫秒。 • 由于密度极限破裂发展较慢，有时能观测到MARFE等一些先 兆现象，通过增加注入加热功率可抑制密度极限破裂。
地球上有多少氘
• 氘（D）和氚(T）是 氢的同位素。
• 海水里含有丰富的 氘，自然界中基本 上没有氚。 如果将海水里所有 的氘全部用来发电， 将是取之不尽的能 源。
•
海水里含有丰富的氘
• 1升海水相当于340 升汽油的能量。
氚的生成
• 用地球陆 地上的锂 生成氚可 以使用上 千年
• 海水里也 蕴藏丰富 的锂资源
石油 35%
天然气 20.7%
中国对石油的需求和产量
14 12 10 8 40% 6 4 2 0 1990 Production 2000 Demand 2010 2020 Imports as % of demand (right axis) 2030 20% 0% -20% 100% 80% 60%
人类生活对能源的需求 核聚变及受控核聚变原理 等离子体约束的基本问题 等离子体约束的各种模式 等离子体输运与能量约束定标 约束改善与边缘局域模控制 总结和讨论
核聚变原理
当两个轻原子核结合成一个较重的原子核时，会释放能量。 我们称这种结合为聚变，放出的能量称为聚变能。在人工控制 下的聚变称为受控聚变，释放受控聚变能量的装置，称为聚变 反应堆或聚变堆。
等离子体约束的一些基本问题
• 托卡马克等离子体的约束是指将等离子体的粒子和热能约 束在其磁场位形中。 • 磁约束等离子体，是一种动态平衡状态下的多自由度体系， 其中的粒子和能量都与外界不断地进行着交换，等离子体 的各种参数也随着时间不断地变化着，等离子体与约束等 离子体的磁场位形有着强烈的相互依赖关系，构成一个非 常复杂的电、磁、粒子系统。 • 很多不稳定性会影响能量约束，改变等离子体参数和磁场 位形又可抑制或被激发各种不稳定性，改善或变坏等离子 体的约束。 • 影响等离子体约束性能的主要物理过程包括磁流体平衡及 其不稳定性、杂质辐射、电子和离子的反常输运等。
等离子体
等离子体的约束方法
• 等离子体是由宏观上 呈电中性的带电粒子 所组成。 自然状态下的等离子 体是自由运动的。
•
•
•
高温的等离子体必须 要约束较长的时间。
磁场可很好约束高温 等离子体，使其沿磁 力线运动。
磁约束等离子体的聚变装置
托卡马克（Tokamak）
仿星器（Stellarator）
托卡马克装置原理
氚的衰变
• 氚的半衰期为 12.3年，所以自 然界中不存在大 量的氚。 在自然界中只存 在3.7kg的氚。 而氚在人体中只 能存在40天。
• •
• •
在氚的衰变过程中，只会产生低能β射线（电子）， β 射线甚至不能穿透皮肤。 空气中的β射线只能传播几毫米。
等离子体
固体 液体 气体
• 增加原子(核) 运动速度的方 法通常是提高 物体的热运动 速度。 • 当物体的温度 足够高时，物 体呈等离子态。
聚变反应率随温度急剧增加
• 聚变等离子体持续燃 烧需要有足够的高温、 高密和长时间的约束， 即满足所谓劳逊判据。 • 考虑轫致辐射损失后 的劳逊判据要求nTE 大于31021 m-3 keVs。 • 对于大型托卡马克装 置温度T=10 keV，离 子密度11020 m-3，得 到能量约束时间要达 3s以上。
受控核聚变研究的发展
50’s：建立了最初的小 型磁约束装置 60’s：建立了成功的托 卡马克装置 70’s：建立了中型尺寸 的托卡马克 80’s：建立了大型的托 卡马克 90’s：达到了聚变功率 得失相当水平
2006：协议建造国际热 核实验反应24 m （高） 30 m（直径） 大半径：6.2 m 小半径：2 m 磁场： 5.3 T 等离子体体积：850 m3 放电持续时间：3000 s 加热功率： 73 MW (I) 聚变功率：500 MW 功率增益Q： 10
磁流体不稳定性影响能量约束
• 磁流体不稳定性严重影响等离子体的约束性能，它会引起 等离子体快速的宏观不稳定性，它包括发展速度极快的理 想磁流体不稳定性，以及相对较慢的电阻性不稳定性。 • 磁流体不稳定性又可按其模式发生的位置分为内部模、自 由边界模或表面模。后者属于真空区的扰动模式和固定边 界模式，如外部扭曲模与仅发生在坏约束区的气球模就属 于表面模，而大部分撕裂模和内扭曲模都属于内部模。 • 控制等离子体电流和压强分布可部分控制磁流体不稳定性。 如通过控制边缘安全因子的大小可以控制外部扭曲模的增 长；优化电流分布有利于抑制撕裂模的发展；而控制压强 分布又可以抑制气球模的发展。 • 影响约束的主要磁流体模式是内扭曲模和撕裂模；在非常 高的比压下，可能是气球模和表面扭曲模。
人类生活对能源的需求 核聚变及受控核聚变原理 等离子体约束的基本问题 等离子体约束的各种模式 等离子体输运与能量约束定标 约束改善与边缘局域模控制 总结和讨论
能量约束时间的定义
• 能量约束时间是描述等离子体最基本的参数 之一，它是衡量能量约束好坏的一个重要指 标，其定义为： E=WP/(Pt-dWp/dt) • 这里WP是等离子体总储能，Pt是等离子体 得到的净的加热功率，它提供给所有通道的 能量损失，包括辐射、热传导和对流。 • 能量约束时间表示能量被约束在等离子体内 部的存在时间，它是可以直接或间接地测量 到的物理量。
古时，人类多使用太阳能、 风能、水能等自然能源，以 及少量的树木等可再生能源
水能 2.3%
煤 23.5%
生物能11.1%
核能 6.8%
农业社会时，许多像树木一 样的可燃烧物被使用，也有 少量的煤、石油等化石燃料 被使用。 工业文明之后，大量的化石 燃料被使用，而且随着人口 的急剧增加和科学技术的发 展，将会出现了严重能源危 机和污染问题。
• 比压极限破裂在高参数下出现，即使边缘安全因子远离磁 流体不稳定性边界，也会因等离子体比压大于某种不稳定 性的临界阈值而引发破裂。 • 比压极限破裂的特征类似于密度极限破裂，但比密度极限 破裂更难控制。首先从平衡方程出发，要求等离子体压强 必须小于磁压强，平衡条件所要求的比压是很宽的条件， 所以比压极限破裂多源于磁流体不稳定性的限制。 • 磁流体不稳定性以较快的增长率发展，引发二次或多次热 淬灭，如果整个过程影响到大部分约束区，最终会导致大 破裂。如果仅影响部分约束区，可能只发生一次小破裂。 • 理论研究表明比压极限来自于气球模不稳定性，是过大的 压强梯度与坏磁场曲率引起的；有的理论也认为在高比压 条件下，外部理想扭曲模的发展也会引发破裂。 • 对于大型装置以及未来的反应堆，约束的主要限制来自密 度极限破裂和比压极限破裂。
我们离受控聚变成功还有多远
可自持的受控核聚变反应堆
使用已有的氘和氚建 立等离子体放电，达 到聚变反应条件 聚变反应生成中子、 能量和氦，氦被排除 用中子与装置内的锂 发生核反应，生成氚， 回收氚 用生成的氚继续与氘 发生聚变反应 能量被吸收，产生蒸 汽发电
内容摘要
磁场位形影响等离子体约束