等离子体约束
等离子体的磁约束与电约束的磁约束比与电约束比
等离子体的磁约束与电约束的磁约束比与电约束比等离子体是第四态物质，由高能粒子（如离子）释放的电子和离子组成，具有高温、高能和高离化程度。
磁约束与电约束是研究等离子体的两种主要约束方式，它们对等离子体的控制和应用具有重要意义。
本文将从物理定律、实验准备、实验过程以及实验的应用和其他专业性角度综合分析磁约束与电约束在等离子体研究中的磁约束比和电约束比。
一、物理定律磁约束和电约束都基于物理定律的基础上进行研究，主要是基于法拉第定律、洛伦兹力和库仑力等定律。
根据法拉第定律，电流会产生磁场，而洛伦兹力和库仑力则描述了在磁场和电场中带电粒子所受的力。
二、实验准备在进行磁约束与电约束的实验前，需要准备各种实验设备和材料。
例如，磁约束实验通常需要强大的磁场，可以通过超导磁体或电磁铁来产生。
而电约束实验则需要高压电源、电极和极板等装置。
此外，为了进行精确的实验控制和数据测量，还需要高精度的仪器和设备，如测量仪器和采样装置。
三、实验过程磁约束实验中，通过加强磁场的强度和形状，将等离子体约束在特定的区域内。
这可以通过调整磁铁的强度和位置来实现。
磁约束比指的是磁场中的等离子体的轴向约束力与径向约束力之比，可以通过测量等离子体在不同磁场中的运动状态和磁场的分布来确定。
同时，磁约束比的大小对于保持和控制等离子体的稳定性和聚束性具有重要影响。
电约束实验中，通过在等离子体周围施加电场来实现约束。
电约束比指的是电场中的等离子体的轴向约束力与径向约束力之比，可以通过测量等离子体在不同电场中的运动状态和电场的分布来确定。
不同于磁约束，电约束比的大小与电场分布和电压有关。
四、应用和专业性角度磁约束和电约束的磁约束比和电约束比对于等离子体的稳定性、聚束性和能量损失等方面具有重要意义。
在聚变能源领域，磁约束比和电约束比的研究可以帮助优化聚变装置的设计，提高聚变反应的效率。
在等离子体物理与工程学中，研究磁约束比和电约束比的变化规律，可以为等离子体激发和湍流耗散等基本问题的解决提供参考。
等离子体的磁约束与电约束
等离子体的磁约束与电约束引言：等离子体是一种高度激发的、带电的气体，由带正电的离子和带负电的电子组成。
它在自然界中存在于恒星、星际空间以及地球的等离子体层中。
利用等离子体的物理特性可以实现稳定的核聚变反应，在能源、材料科学和空间探索等领域具有重要的应用前景。
而磁约束和电约束则是实现高温等离子体的主要方法之一。
了解这两种约束的原理和实验过程对于研究等离子体物理以及相关应用的发展至关重要。
一、磁约束：1. 马克斯韦方程组：磁约束是基于马克斯韦方程组的理论基础。
根据安培定律和法拉第定律，可以得到磁场的方向和大小与电流、电荷的分布相关。
磁约束利用磁场对带电粒子施加的力来控制等离子体中离子的运动。
2. 磁约束装置：常见的磁约束装置包括托卡马克和磁约束聚变装置。
托卡马克是一种环形的装置，通过在环内产生强磁场来约束等离子体。
磁约束聚变装置则利用线圈产生的磁场来限制等离子体的运动轨迹。
3. 实验准备：在实验前，需要准备高纯度的等离子体样本，通常使用气体放电、激光等方法获得。
同时，需要设计和构建合适的磁约束装置，并在装置中安置磁场线圈。
为了保持等离子体的稳定性，还需在装置中加入真空环境，减少带电粒子与气体分子的碰撞。
4. 实验过程：在实验中，先通过加热等离子体，使其达到高温状态。
然后施加磁场，使得等离子体中的带正电离子绕着磁场线圈旋转。
由于磁场的力线形状，离子在磁场中受到一个向中心的力，从而限制了离子的运动范围。
在磁约束的作用下，离子围绕装置中心形成环形轨道，并保持相对稳定。
二、电约束：1. 布缇定理：电约束是基于布缇定理的理论基础。
根据该定理，带电粒子在静电场中受到的力是电场梯度的负向。
电约束利用电场力来约束等离子体中的离子运动，达到稳定的等离子体状态。
2. 电约束装置：电约束装置主要包括静电约束场和电磁约束场。
静电约束场是通过引入电极和电荷分布形成的，控制离子的运动。
电磁约束场则是通过引入磁场和电场的组合来实现离子的约束。
等离子体物理学中的磁约束与磁压缩
等离子体物理学中的磁约束与磁压缩在等离子体物理学中，磁约束和磁压缩是两个关键概念，它们在等离子体束约装置中起着重要的作用。
本文将探讨磁约束和磁压缩的原理、应用以及在等离子体物理学中的意义。
一、磁约束的原理与应用磁约束是利用磁场对等离子体束约的一种手段。
在等离子体束约装置中，通过施加外部磁场，使得等离子体受到磁力的束缚，从而防止其扩散。
这种磁约束可以阻止等离子体与容器壁碰撞，减少热损耗，保持等离子体的高温和高密度。
有许多实验设备采用了磁约束技术，其中最著名的是磁约束聚变装置。
聚变是模仿太阳内部的核聚变反应，在地球上实现清洁能源的梦想。
磁约束聚变装置中，利用强大的磁场将等离子体束约在特定的容器中，使其达到高温和高压的条件，从而实现核聚变反应。
这种磁约束技术为人类提供了一种可能发展清洁能源的途径。
二、磁压缩的原理与应用磁压缩是指通过磁场对等离子体进行压缩，从而有效提高其密度和能量。
在等离子体物理学中，磁压缩是增加等离子体参数的一种重要手段。
对于等离子体束约装置中的等离子体，通过施加外部磁场，可以使等离子体在径向方向上产生压力梯度。
在等离子体束约装置中，通过设计合适的磁场结构，可以让等离子体在径向方向上发生压缩，从而达到增加密度和能量的目的。
这种磁压缩技术在等离子体聚变装置中被广泛应用，是实现聚变反应的关键。
三、磁约束与磁压缩的关系与意义磁约束和磁压缩在等离子体物理学中是紧密相连的。
磁约束可以防止等离子体扩散，保持其高温和高密度，而磁压缩可以通过增加等离子体的密度和能量，进一步提高等离子体参数。
在磁约束聚变装置中，等离子体经过磁约束束缚在装置中，然后通过磁压缩增加其密度和能量，从而达到实现核聚变反应的目的。
这种磁约束与磁压缩的结合，使得等离子体可以达到足够高的温度和密度，使核聚变反应能发生，并释放出巨大的能量。
磁约束与磁压缩在等离子体物理学中的应用不仅仅局限于聚变领域，还广泛应用于等离子体加热、等离子体诊断等领域。
等离子体物理学中的磁约束与热约束
等离子体物理学中的磁约束与热约束等离子体物理学是现代物理学的一个重要分支，研究的是等离子体的性质、行为以及其相关的物理现象。
在等离子体物理学中，磁约束和热约束是两个核心概念，它们在等离子体操控和应用中起着至关重要的作用。
磁约束是指通过外部磁场来限制等离子体运动的一种方法。
等离子体是由高温电离气体中的带电粒子组成的，其特点是带有正电荷的离子和自由电子数量相等。
由于带电粒子的相互作用力很强，单靠热运动很难使其稳定存在，因此需要一种约束机制来维持等离子体的稳定。
磁约束的基本原理是将等离子体置于适当的外部磁场中，通过磁场对带电粒子施加力的作用，限制其运动轨迹。
磁场的选择和调整对于达到良好的磁约束效果至关重要。
常见的磁约束机制包括磁镜约束、托卡马克约束和磁圈约束等。
磁镜约束是一种利用非均匀磁场的方法。
当等离子体沿着磁场线运动时，磁场的非均匀性会使得运动轨迹受到限制，从而实现对等离子体的约束。
磁镜约束的优点是约束效果好，但由于磁场的非均匀性，容易导致径向不稳定性的出现。
托卡马克约束是一种利用环状磁场的方法。
在托卡马克装置中，采用了强大的磁场来限制等离子体运动，使之沿着环状轨道旋转。
托卡马克约束的优点是稳定性较好，但缺点是设备复杂、耗能较大。
磁圈约束是一种在磁场中形成环形约束的方法。
通过将等离子体包裹在环形磁场中，实现对其运动的约束。
磁圈约束的优点是结构简单、可靠性高，因此在实际应用中得到了广泛采用。
除了磁约束外，热约束也是等离子体物理学中重要的概念。
热约束是通过向等离子体注入能量来维持其稳定存在的一种方法。
等离子体的稳定需要维持一定的温度，过低或过高的温度都会导致等离子体的失稳。
因此，通过向等离子体注入适量的热能，可以调节等离子体的温度，从而实现热约束。
热约束的实现主要依靠等离子体物理中的热运输过程。
热约束既可以通过激光、微波等外部能量源向等离子体注入能量，也可以通过等离子体内部的能量转输来实现。
热约束的关键是找到合适的能量传导途径，使得能量在等离子体中得到均匀分布，并达到热平衡。
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。
等离子体能量约束
❖ 由于带电粒子沿磁力线运动，决定了磁场对带电粒子具有 约束能力，简单的均匀磁场并不能长时间约束带电粒子。
❖ 通过建立由外加磁场和等离子体电流产生的磁场的组合磁 场，大部分带电粒子可以长时间沿磁力线运动而不会明显 地损失掉，这就是所谓的磁场位形。
❖ 一种好的磁场位形不但要约束住带电燃料粒子，而且要能 约束住核聚变反应产生的高温等离子体，并使其在这种磁 场位形下保持宏观平衡，也就是要使等离子体的压强P， 电流密度j和约束磁场B之间保持一定的平衡关系。
❖ 在较高的边缘安全因子条件下运行，或者对电流 剖面进行控制，可以抑制电流极限破裂。
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。
• 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。
• 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
等离子体物理学中的磁约束聚变
等离子体物理学中的磁约束聚变磁约束聚变是等离子体物理学中研究的重要领域之一。
通过磁场的约束，将等离子体保持在高温高密度的状态，以实现核聚变反应释放巨大能量的目标。
本文将介绍磁约束聚变的原理、设备和挑战，并展望其在未来能源发展中的应用前景。
一、磁约束聚变的原理磁约束聚变利用磁场对等离子体进行限制和控制，使等离子体保持在高温高密度的状态，以实现核聚变反应。
核聚变是太阳和恒星等天体能量的主要来源，因此在人类能源发展当中具有重要的意义。
在磁约束聚变实验装置中，使用强大的磁场将等离子体约束在一个闭合的磁场线内。
通过施加磁场，束缚住等离子体中的带电粒子，避免其与容器壁发生碰撞并损失能量。
同时，在适当的磁场拓扑条件下，等离子体中的高温粒子可以沿磁场线旋转，形成等离子体的稳态。
二、磁约束聚变实验设备磁约束聚变实验装置主要包括磁体系统、等离子体加热系统和诊断系统等组成部分。
1. 磁体系统：磁体系统是磁约束聚变实验装置的核心。
它由超导磁体和常规电磁磁体组成，用于产生强大的磁场。
超导磁体具有高导磁率和无电阻特性，可以在长时间内持续提供高强度的磁场。
常规电磁磁体由线圈和电源组成，用于调节磁场的形状和强度。
2. 等离子体加热系统：等离子体加热是维持等离子体高温状态的关键。
常用的加热方法包括射频加热、中性粒子注入和超声波加热等。
射频加热通过射频电场对等离子体中的带电粒子进行共振加热，提高其温度。
中性粒子注入通过向等离子体注入高能中性粒子，使其与等离子体粒子碰撞转移能量。
超声波加热利用超声波的压力和摩擦作用将能量传递给等离子体粒子。
3. 诊断系统：诊断系统用于对等离子体的物理参数进行测量和分析。
常见的诊断方法有干涉法、辐射诊断、流速测量、温度测量和等离子体成分分析等。
通过诊断系统，可以获取等离子体的密度、温度、流速等信息，从而对聚变过程进行监测和研究。
三、磁约束聚变面临的挑战尽管磁约束聚变在理论和实验上都取得了一定的突破，但仍然面临着一些挑战。
等离子体物理学中的磁约束研究
等离子体物理学中的磁约束研究等离子体物理学是研究高温等离子体行为的学科，而磁约束则是一种常见的等离子体控制方法。
磁约束通过利用磁场来限制和稳定等离子体，使其保持高温和高密度状态。
本文将讨论等离子体物理学中的磁约束研究，并介绍一些相关的实验和应用。
一、磁约束的基本原理磁约束是利用磁场对等离子体进行约束和控制的方法。
在等离子体物理中，等离子体是由大量带电粒子组成的气体，粒子之间存在相互作用力。
这些粒子在高温和高密度下会产生剧烈的相互碰撞，限制了等离子体的稳定性。
磁约束通过创建一个磁场，使等离子体带电粒子在磁场的作用下运动，并在约束范围内保持稳定状态。
二、磁约束装置磁约束装置是实现磁约束的设备。
其中最常见的装置是托卡马克装置（tokamak），托卡马克是一种环形螺旋形的装置，由大型磁体和真空室组成。
托卡马克装置通过在磁体中产生强大的磁场，将等离子体限定在装置中心，形成一个稳定的等离子体环。
三、磁约束的稳定性磁约束的稳定性是研究的一个重要方面。
等离子体在磁场中的运动是复杂而有序的，但由于磁力线的形状等原因，等离子体在某些情况下可能会失去稳定性。
这就需要通过调整磁场参数和控制装置的设计，以提高磁约束的稳定性。
四、磁约束的应用磁约束在等离子体物理学的许多领域有着广泛的应用。
其中最重要的应用之一是核聚变研究。
核聚变是一种将轻元素聚变为重元素的过程，是太阳和恒星的能量来源。
通过磁约束技术，可以在地球上模拟太阳和恒星内部的等离子体条件，研究核聚变反应的基本性质和聚变能产生。
此外，磁约束也在等离子体产生和等离子体材料相互作用研究中发挥着重要作用。
等离子体在太阳表面和太空中广泛存在，磁约束技术可以帮助科学家更好地理解和探索这些等离子体的行为和性质。
五、磁约束的挑战和前景虽然磁约束在等离子体物理学中取得了重要成就，但仍面临着一些挑战。
例如，磁约束装置的稳定性和能源消耗是目前的研究热点。
如何实现更高的等离子体温度和密度，以及更节能的磁约束装置设计，是当前研究的主要方向。
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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
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。
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%
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
mb/d
世界上石油资源的蕴藏量分布
世界上的石油资 源分布极其不均 衡，其中中东地 区占有已探明储 量的70%。
中国是一个石油 储量相对贫乏的 国家。
各种化石能源的使用年限
按照现在的消费 增长，化石燃料 可供人类使用时 间分别为: 煤：220年 石油：40年 天然气：60年
磁场位形影响等离子体约束
• 在磁约束聚变装置中，首要问题是建立能稳定约束高温等 离子体的平衡位形，单个带电粒子不仅能够被长时间地约 束，而且等离子体的能量也不会很快通过输运过程被损失 掉。 • 由于带电粒子沿磁力线运动，决定了磁场对带电粒子具有 约束能力，简单的均匀磁场并不能长时间约束带电粒子。 • 通过建立由外加磁场和等离子体电流产生的磁场的组合磁 场，大部分带电粒子可以长时间沿磁力线运动而不会明显 地损失掉，这就是所谓的磁场位形。 • 一种好的磁场位形不但要约束住带电燃料粒子，而且要能 约束住核聚变反应产生的高温等离子体，并使其在这种磁 场位形下保持宏观平衡，也就是要使等离子体的压强P， 电流密度j和约束磁场B之间保持一定的平衡关系。 • 高拉长比和三角度位形是获得先进等离子体的优化位形。
地球上有多少氘
• 氘（）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
电流极限破裂影响能量约束
• 当总电流超过磁流体稳定性极限时会产生破裂， 它大都出现在低q大电流放电中，边缘q进入磁流 体扭曲模的不稳定参数区，从而激发扭曲模而导 致放电破裂 • 虽然等离子体总体运行在稳定参数区，但距不稳 定性的边界不远，于是实验条件稍有变动，例如 中性气流突然加大，或杂质流突然增加使边缘很 快冷却，导致实际电流通道的收缩，边缘等效安 全因子降低而进入不稳定区。 • 在较高的边缘安全因子条件下运行，或者对电流 剖面进行控制，可以抑制电流极限破裂。
D-D 反应 D-T 反应
常用的核聚变反应
• • • •
• • 轻核聚合反应： 2+ D2→ He3+ n1+3.2MeV D 1 1 2 0 2+ D2→ T3+ p1+4.0MeV D 1 1 1 1 2 3 4 1 1D +2He →2He +1p +18.3MeV 2+ T3→ He4+ n1+17.6MeV D 1 1 2 0 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。
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。
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。
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
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。
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%
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
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。
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 核实验反应堆ITER
ITER的典型参数
尺寸：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
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
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。
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。