核聚变磁约束

目录
核聚 变反应原理
磁 约 束 核 聚 变 原理
核聚变能源的优势
磁约束核聚变的未 来展望
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核聚 变反应原理
核聚变反应原理
主要原理 反应条件 所需燃料 可控核聚变 的手段
常温下，原子核之间由于斥力很难靠近，而当高温时，原 子动能极大，可能使原子核间距非常小，从而发生核反应。 核聚变就像烧火，温度不够高，火很快就会熄灭，因此核聚 变需要核裂变提供高温，在高温中发生一定量的核聚变，从 而提供继续反应的温度。 氘与氚，氘在海洋中含量较为丰富，而氚则可以通过锂在中 子的轰击下获得，利用一定弄的的锂和氘理论上可以形成氘 -氚的链式反映，不过氘-氚反应极其危险，还有待改进。 目前使核聚变处于可控范围的手段主要有磁约束和惯性约束 两种，磁约束主要利用磁场，惯性约束则主要依靠激光使外 层气化，向内产生较大压力，再辅以高温发生核聚变
磁约束核聚变的约束方法
每一个作螺旋形运动的带电粒子，就是一个微小的螺旋形的电流。这个微 小电流产生的磁场，无论是电子或离子，按法拉第电磁感应定律，基本上是和 外加的感应磁场B0方向相反的，是一种抗磁性。这些单个粒子所形成的微小电 流，叠加的结果，宏观地表现为，在圆柱表面上横向流动的电流I（图1）。这 个表面电流产生的磁场BI把圆柱内部原有的磁场B0抵消一部分，结果圆柱内的 磁场为Bi=B0-BI，圆柱外的磁场仍为B0。用磁场压强的概念，等离子体圆柱外 的磁压强为B0/2μ,圆柱内的磁压强为B/2μ，式中μ为磁导率。圆柱外的磁压 强大于圆柱内的磁压强，超过的部分即可平衡圆柱内的等离子体压强p，对它 起到约束的作用。当时，等离子体可以维持宏观的平衡，既不扩张又不被压缩。 由此就可得到一种利用磁场约束等离子体的、理想化的设备。这是一个很长的 圆筒形的真空室，内充稀薄的氘氚气体；外面绕上导线所成的直螺线管，真空 室内产生磁场来约束其中产生的等离子体。宏观地看，等离子体平常没有磁性， 但一旦加上磁场时，等离子体中的带电粒子运动就发生变化，形成如上所述的 粒子回旋运动，产生抗磁性，表现为磁性等离子体──一种抗磁性流体物质， 从而被外磁场所约束。 按照磁场中粒子横越磁力线扩散的理论计算，圆筒形真空室中等离子体圆柱的 直径不必大于1米,比不用磁场时,按热核等离子体中粒子自由飞行的情况所需的 10米,缩小到10倍。这就是用磁场约束热核聚变等离子体的主要优点。但这种约 束作用，只表现在垂直于磁场的方向；在平行于磁场的方向，等离子体仍没有 得到约束，圆筒真空室仍需长达10米。等离子体沿圆筒真空室两端逸出损失， 成为需要进一步研究解决的问题。
托卡马克的前世今生
欧洲建设了联合环-JET,苏联建设了T20（后来缩水成了T15，线圈小了，但是上了超导）， 日本的JT-60和美国的TFTR（托卡马克聚变实验反应器的缩写）。这些托卡马克装置一次次把能 量增益因子（Q）值的纪录刷新，1991年欧洲的联合环实现了核聚变史上第一次氘－氚运行实验， 使用6：1的氘氚混合燃料，受控核聚变反应持续了2秒钟，获得了0.17万千瓦输出功率，Q值达0.12。 1993年，美国在TFTR上使用氘、氚1：1的燃料，两次实验释放的聚变能分别为0.3万千瓦和0.56万 千瓦，Q值达到了0.28。1997年9月，联合欧洲环创1.29万千瓦的世界纪录，Q值达0.60，持续了2秒。 仅过了39天，输出功率又提高到1.61万千瓦， Q值达到0.65。三个月以后，日本的JT－60上成功进 行了氘－氘反应实验，换算到氘－氘反应，Q值可以达到1。后来，Q值又超过了1.25。这是第一次 Q值大于1，尽管氘-氘反应是不能实用的（这个后面再说），但是托卡马克理论上可以真正产生能 量了。在这个大环境下，中国也不例外，在70年代就建设了数个实验托卡马克装置——环流一号 （HL-1）和CT-6，后来又建设了HT-6,HT-6B，以及改建了HL1M，新建了环流2号。有种说法， 说中国的托卡马克装置研究是从俄罗斯赠送设备开始的，这是不对的，HT6/HL1的建设都早于俄 罗斯赠送的HT-7系统。HT-7以前，中国的几个设备都是普通的托卡马克装置，而俄罗斯赠送的 HT-7则是中国第一个“超脱卡马克”装置。什么是“超托卡马克装置”呢？回过头来说，托卡马 克装置的核心就是磁场，要产生磁场就要用线圈，就要通电，有线圈就有导线，有导线就有电阻。 托卡马克装置越接近实用就要越强的磁场，就要给导线通过越大的电流，这个时候，导线里的电 阻就出现了，电阻使得线圈的效率降低，同时限制通过大的电流，不能产生足够的磁场。托卡马 克貌似走到了尽头。幸好，超导技术的发展使得托卡马克峰回路转，只要把线圈做成超导体，理 论上就可以解决大电流和损耗的问题，于是，使用超导线圈的托卡马克装置就诞生了，这就是超 托卡马克。目前为止，世界上有4个国家有各自的大型超托卡马克装置，法国的Tore－Supra，俄 罗斯的T-15，日本的JT-60U，和中国的EAST。除了EAST以外，其他四个大概都只能叫“准超 托卡马克”，它们的水平线圈是超导的，垂直线圈则是常规的，因此还是会受到电阻的困扰。此 外他们三个的线圈截面都是圆形的，而为了增加反应体的容积，EAST则第一次尝试做成了非圆型 截面。此外，在建的还有德国的螺旋石-7，规模比EAST大，但是技术水平差不多。
托卡马克的前世今生
EAST位于中国合肥，是目前为止，超托卡马克反应体部分，唯一能给ITER提 供实验数据的装置，他的结构和应用的技术与规划中的ITER（2005年正式确定的国
际合作项目ITER，也就是国际热核实验反应堆的缩写，这个项目从1985年开始，由苏联、美国、日本 和欧共同提出，目的是建立第一个试验用的聚变反应堆。（注意：ITER已经不是托卡马克装置了，而 是试验反应堆，这是一大进步）最初方案是2010年建成一个实验堆，实现1500兆瓦功率输出，造价100 亿美元。没想到因为各国想法不同，苏联解体，加上技术手段的限制，一直到了2000年也没有结果， 其间美国中途退出，ITER出现胎死腹中的危险。直到2003年，能源危机加剧，各国又重视起来，首 先是中国宣布加入了ITER计划，欧洲、日本和俄罗斯自然很高兴，随后美国宣布重返计划。紧接着， 韩国和印度也宣布加入。）完全一样，没有的仅仅是换能部分。EAST解决了几个重
仿星器磁场约束法
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托卡马克的前世今生
为实现磁力约束，需要一个能产生足够强的环形磁 场的装置，这种装置就被称作“托克马克装置”—— TOKAMAK，也就是俄语中是由“环形”、“真空”、 “磁”、“线圈”的字头组成的缩写。早在1954年，在原 苏联库尔恰托夫原子能研究所就建成了世界上第一个托 卡马克装置。貌似很顺利吧？其实不然，要想能够投入 实际使用，必须使得输入装置的能量远远小于输出的能 量才行，我们称作能量增益因子——Q值。当时的托卡马 克装置是个很不稳定的东西，搞了十几年，也没有得到 能量输出，直到1970年，前苏联才在改进了很多次的托卡 马克装置上第一次获得了实际的能量输出，不过要用当 时最高级设备才能测出来，Q值大约是10亿分之一。别小 看这个十亿分之一，这使得全世界看到了希望，于是全 世界都在这种激励下大干快上，纷纷建设起自己的大型 托卡马克装置
环 流 器 实 验 的 进展
近年来环流器类型的磁约束装置实验及理论和计算分析得到的，关于磁约束 等离子体的规律性知识，代表了等离子体物理学的广泛而较为深入的前沿新发展。 这方面主要的成果之一是，确定了一些重要参量在一定范围内适用的比例规律(也 称变标规律、定标定律)。其中，首先是关于等离子体能量约束时间τE和约束条件 参量nτE的比例规律。由最近的大型环流器归纳出来的结果表明，随着等离子体 尺寸的增大，τ和nτE的增加比等离子体尺寸的平方要快些。另一个实验结果， 等离子体的温度平均地正比于单位体积内注入的二级加热的功率。最新一代大环流 器目前已经达到的温度和约束参量略见表。在这个基础上，根据已经得到的， nτE和T的比例规律，实现这些装置的目标将是可能的。这也就是说，受控热核聚 变的科学可行性，将通过环流器上的实验，得到证实，目前计划将在20世纪80年代 末实现。 关于磁约束热核聚变的等离子体物理学，主要内容有两个方面。一方面是历史 性的知识积累，以受控热核聚变的科学可行性的验证为总目标的许多原理性实验， 其中包括各种热核聚变途径的探索。除了环流器和开端的磁镜约束形态；还有其他 多种磁约束途径正在研究中。第一代实用聚变堆的堆型尚待将来在改进型的环流器 和其他途径中进行比较选定。另一方面是在这些探索、研究过程中现在已经形成的， 物理学的一个新分支，磁约束等离子体物理学。
Magnetic confinement fusion
磁 约束核聚 变
原 理与发展 前 沿
理科生环地 林楠
人类的------人造太阳梦
热核聚变
前言
核聚变（nuclear fusion），又称核融合、融合反应或聚变反应，是指 由质量小的原子，主要是指氘或氚，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，发生原子核的互相聚合作用，生成新的质量更重的原 子核（如氦）的反应。核聚变是核裂变相反的核反应形式。由于核 聚变反应温度极高，目前尚无容器能够承受，因此科学家正在努力 研究可控核聚变，使核聚变成为未来的主要能量来源。
要问题：第一次采用了非圆型垂直截面，目的是在不增加环形直径的前提下增 加反应体的体积，提高磁场效率。第一次全部采用了液氦无损耗的超导体系。 液氦是很贵的，只有在线圈材料上下功夫，尽量少用液氦，同时让液氦可以循 环使用，尽量减少损耗的系统才可能投入实用。此外，EAST还是世界上第一 个具有主动冷却结构的托卡马克，它的第一壁是主动冷却的，连接的是一个大 型冷却塔，它的冷却水可以保证在长时间运行后将反应产生的热量带走，维持 系统的温度平衡，一方面是为真正实现稳定的受控聚变迈出的重要一步，另一 方面也是工程化的重要标志——冷却塔换成汽轮机是可以发电的。结合一些相 关资料，世界这个领域普遍认为EAST将是第一个能长时间稳定运行的，Q值能 达到1的托卡马克装置，当然这可能还要1-2年的时间。就EAST来说，从某种意 义上，它就是ITER主反应体大约1/4的一个原型实验装置。
中性粒子束注入
将强流离子束，经过气体交换室进行电荷交换变成中性粒子束，然后注入磁约 束装置。在环流器上一般用于在欧姆加热基础上的二级加热。是迄今为止取得温度 最高的加热方法。所用的中性束，粒子能量为100千电子伏左右，功率为10～30兆瓦。
射频波加热
利用等离子体外输入的，适当频率的各种电磁波，通过等离子体内电子回旋共 振（频率约60～120吉赫）、离子回旋共振（频率约30～120兆赫）、或混合共振（频 率2吉赫等）的机制,进行吸收加热。目前主要是原理性实验。准备中的大型实验，射 频功率为3～30兆瓦；小型实验使用的功率可相应地减少。 将来采用的方法，有可能是几种加热方法有程序的、时间空间上的优化结合。 在这类结合过程的研究中将会出现许多新的物理问题。
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磁 约束核 聚 变原理
托卡马克型磁场约束法
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磁约束的基本原理是带电粒 子在磁场中受的洛伦兹力。
两端呈瓶颈状的磁力线，因瓶颈 处磁场较强能将带电粒子反射回 来 ，从而限制粒子的纵向（沿 磁力线方向）移动。
但是仍有一部分其轨道与磁力线 的夹角小于某值的带电粒子会逃 逸出去。 为了避免带电粒子的流失，曾经 把磁力线连同等离子体弯曲连接 成环形。 后来又改进为呈8字形的圆环形磁 力线管。实验上现最有成效的磁 约束装置仍然是托卡马克装置。
环流器等离子体的加热
Βιβλιοθήκη Baidu欧姆加热
利用环流器等离子体中流通的，用于产生磁场旋转变换的环形电流IP，对等离 子体本身进行欧姆加热，这样的加热遵从理论上推广了的欧姆定律。随着温度的升 高，环形等离子体的电阻迅速降低（这一点和金属导体的行为相反），加热效率下 降。需要采取特殊措施，才有可能达到建造聚变堆所需的温度。目前，大量的实验 研究仍在继续进行。