磁约束核聚变
《核能和核电原理(磁约束聚变部分)》
托卡马克装置
磁体系统
极向场线圈: 垂直(磁)场 水平(磁)场 快控场线圈
托卡马克装置
磁体系统
校正场线圈 误差（杂散）场来源： 加工和安装误差 引线 不对称构件
托卡马克装置
电源系统
脉冲纵场磁体电源：
电容储能（电能） 电感储能（磁能）
飞轮机组（机械能）
电容储能
电感储能
磁约束聚变研究历史
1985年，苏美首脑建议合作建造国际热核实验堆，即ITER
1989年，德国ASDEX实现H模运转。 1990年，ITER完成概念设计 1991年，欧洲的JET装置用DT反应产生1.7MW聚变功率。 1993年，美国TFTR装置用DT反应产生6.4MW聚变功率，后来又将这一功率提高到 10.7MW。 1997年，JET又创造了DT反应产生16.1MW聚变功率的新记录。
托卡马克装置
真空系统
加料系统
加料系统，指实验装置中工作气体的馈入，在反应堆中指反应物质的馈入。 脉冲送气 最简单的送气，送气部件是压电晶体阀，响应时间为毫秒量级。但中性粒子在 等离子体边缘区就被电离约束，不能对等离子体中心区直接加料。 超声分子束 它使用了一种称为Laval的喷咀。当具有一定压力差的气体从一个小孔喷出时， 在小孔低压侧一定范围内可形成一个超声分子束，其速度可达每秒几百米。 弹丸注入 这是一种能有效进行中心区加料的技术，即向等离子体注入冷冻的氢或氘丸。 气体被冷冻为固态的圆柱体，然后截断成一定长度的弹丸，用压缩气体射入托 卡马克真空室，速度从每秒几百米到几千米。
圆线圈自感
N L 0 N 2 R0 f I
形状因子
托卡马克装置
磁体系统
在一些大的装置中， 环向场线圈往往做成D 形。这也和大装置中的 等离子体截面在垂直方 向拉长相适应。 很强的环向场（一般 大于5 Tesla）可以用超 导线圈提供。超导磁体 是稳态运转的，适于研 究托卡马克的长脉冲运 行和稳态运转。
核聚变的两种方式
核聚变的两种方式朋友！今天咱来唠唠核聚变这神奇的玩意儿，特别是它的两种方式。
你知道不，核聚变就像是宇宙中的超级魔法，能释放出巨大的能量。
那这核聚变的两种方式呢，就像是一对性格各异的双胞胎兄弟。
先说这第一种方式，叫做磁约束核聚变。
这就好比是把一群调皮的小怪兽关在一个超级大笼子里。
这个大笼子呢，其实就是磁场。
通过强大的磁场，把高温高密的等离子体约束在一个特定的空间里，让它们在里面乖乖地发生核聚变反应。
你想想，这等离子体就像一群精力超级旺盛的小家伙，要是没个笼子关着，那还不得到处乱跑啊！咱国家的“人造太阳”就是用的这种方式哦。
这“人造太阳”可厉害啦，要是真的成功了，那以后咱就再也不用担心没电用啦。
再说说第二种方式，惯性约束核聚变。
这就像是给一颗小鞭炮点上火，然后瞬间爆炸产生巨大的能量。
不过这可不是普通的小鞭炮，而是用激光或者粒子束等高强度的能量束，瞬间压缩和加热一个微小的燃料球，让它在极短的时间内发生核聚变反应。
你可以想象一下，这燃料球就像一个小小的能量宝库，被瞬间引爆，释放出惊人的力量。
就好像咱过年放的烟花，“砰”的一下，照亮整个天空。
这两种方式各有各的特点。
磁约束核聚变就像是一个沉稳的大哥，一步一个脚印地朝着目标前进。
虽然过程可能有点漫长，但胜在稳定可靠。
而惯性约束核聚变呢，就像一个勇敢的小弟，敢于冒险，瞬间爆发。
说不定哪天就能给我们带来一个大惊喜呢！那你可能会问啦，这两种方式哪个更好呢？嘿嘿，这可不好说。
就像问你苹果和橘子哪个更好吃一样，各有各的好嘛。
它们都在为了实现人类的能源梦想而努力奋斗着。
总之啊，核聚变的这两种方式都是人类探索未来能源的重要途径。
不管是磁约束还是惯性约束，都有着巨大的潜力。
让我们一起期待着它们能早日为我们带来无尽的清洁能源，让我们的生活变得更加美好吧！。
磁约束核聚变堆的工作原理
磁约束核聚变堆的工作原理
磁约束核聚变堆是一种利用磁场约束高温等离子体来进行核聚变反应的装置。
其工作原理可以简单地分为以下几个步骤：
1. 加热和离子化：首先，通过外部放热装置（如激光、离子束或微波）对工作室（磁约束装置的中心空位）中的气体加热，使气体成为等离子体。
等离子体由离子和电子组成，具有高度的热运动能量。
2. 磁约束：在工作室中施加一个强磁场，使得等离子体被限制在一个磁场中运动。
这个磁场通常采用环形状，即托卡马克或托卡马克型装置，以产生恒定的轴向磁场。
这种磁场使得等离子体在工作室中环绕，从而形成一个环状的等离子体。
3. 平衡热压力与磁压力：在等离子体内部，高温和高压力导致的热扩散趋势会使等离子体离开约束磁场。
然而，由于磁场的作用，磁场产生的磁压力可以平衡热压力，从而阻止等离子体扩散。
4. 反应产生：在等离子体中，核聚变反应发生。
在高温和高压力下，氢等离子体中的氢核融合成氦气，释放出巨大的能量。
同时，部分能量也会被输入到等离子体中的自持等离子体热上下导线上。
5. 能量回收：通过引入恒定的燃料流和自持热上下导线，可以从等离子体中回收产生的能量。
这种回收的能量可以用于供应外部放热装置、磁源、援引系统和
其他设备的电力需求，从而实现自给自足的能源系统。
总的来说，磁约束核聚变堆通过磁场约束和高温等离子体中的核聚变反应来产生能量。
这种原理类似于太阳内部的核聚变反应，但阳离子是通过极高的温度和磁场来约束的，使得反应在可控条件下进行。
中国的磁约束核聚变
中国的磁约束核聚变磁约束核聚变是一种新型的、具有高效能的核能源，它的实现可以为人类提供无限的能源供应。
中国是世界上最重视核能研究的国家之一，并且取得了很多成就。
我们在核聚变领域持续进行探索，目前已经进入实验阶段，磁约束核聚变技术是其中之一。
接下来将会介绍磁约束核聚变技术以及我国在这个领域的研究成果。
磁约束核聚变是一种重要的可控核聚变方法，利用高温等离子体和高强度磁场达到核聚变的目的。
在这种方法中，聚变反应的燃料为氘和氚，可控热能会释放，像一个小太阳一样发光并产生大量的能源。
磁约束核聚变主要分为磁约束聚变和惯性约束聚变两种，其中磁约束聚变是最主要的、最被研究的核聚变方法之一。
磁约束核聚变技术实现需要一个巨大的磁场来约束中心高温等离子体，以保持等离子体的稳定状态并稳定运行，同时还需要一定的内部能量来维持聚变反应。
为此，科学家研制开发了多种磁约束核聚变设备。
在世界上，最具代表性的磁约束核聚变设备之一是国际热核聚变实验反应堆 (ITER)。
ITER是目前研发的最大、最复杂、也是最显著的国际核聚变实验，中国作为合作方之一，积极参与了其中。
我国在磁约束核聚变研究领域也有许多成果。
截至2020年，已经有两个世界上最大的聚变实验装置在我国运行，它们分别是西南物理研究所的“HL-2M托卡马克”和中国科学院等离子体物理研究所的“EAST托卡马克”。
“HL-2M托卡马克”是中国氢弹研制取得的成果之一。
它的主要用途是使我国在核聚变的实验和研究方面更好地掌握相关技术，积累更多的经验，并为未来的可持续能源的开发提供支持。
而“EAST托卡马克”是我国开展磁约束核聚变研究的主要平台之一，已经进行了数十年的研究，广泛发表了数百篇学术论文，国际上具有相当的声誉。
磁约束核聚变技术的发展顺应了人类对可持续、清洁、高效能源的追求。
目前来看，磁约束核聚变技术仍面临各种科研和技术难题。
其中，最大的难点之一是如何掌握超高温等离子体的约束与维持，此外，遏止热能与辐射通过等离子体和设备的技术挑战也需要接受。
控制核聚变的方法
控制核聚变的方法核聚变是一种能源产生方式，它是通过将两个轻元素合并成一个重元素来释放能量。
这种能源产生方式在太阳和其他恒星中都有发生，但是在地球上，我们需要控制核聚变的过程才能利用它来产生能源。
本文将介绍控制核聚变的方法。
1. 磁约束磁约束是一种控制核聚变的方法，它利用磁场来控制等离子体的运动。
等离子体是一种高温、高能量的物质，它是由氢原子核和电子组成的。
在磁约束中，等离子体被包含在一个磁场中，这个磁场可以控制等离子体的运动，使其保持在一个特定的区域内。
这种方法被称为“磁约束聚变”。
2. 惯性约束惯性约束是另一种控制核聚变的方法，它利用惯性来控制等离子体的运动。
在惯性约束中，等离子体被加速到非常高的速度，然后被突然停止。
这种突然停止会产生一个巨大的压力波，这个压力波可以将等离子体压缩到非常高的密度。
这种方法被称为“惯性约束聚变”。
3. 混合约束混合约束是一种将磁约束和惯性约束结合起来的方法。
在混合约束中，等离子体首先被加速到非常高的速度，然后被包含在一个磁场中。
这个磁场可以控制等离子体的运动，使其保持在一个特定的区域内。
这种方法被称为“混合约束聚变”。
4. 等离子体稳定性等离子体稳定性是控制核聚变的关键因素之一。
等离子体是一种非常不稳定的物质，它很容易受到外部扰动而破裂。
因此，控制等离子体的稳定性是非常重要的。
有许多方法可以控制等离子体的稳定性，包括使用磁场、惯性约束和混合约束等方法。
5. 燃料选择燃料选择也是控制核聚变的关键因素之一。
在核聚变中，氢是最常用的燃料，因为它是最容易聚变的元素之一。
但是，氢的聚变需要非常高的温度和压力，这使得控制核聚变变得非常困难。
因此，研究人员正在寻找其他更容易聚变的元素，例如氦和锂等元素。
6. 温度控制温度控制也是控制核聚变的关键因素之一。
在核聚变中，等离子体需要被加热到非常高的温度才能聚变。
但是，过高的温度会导致等离子体失控，从而破坏聚变反应。
因此，控制等离子体的温度是非常重要的。
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。
磁约束受控热核聚变研究中的物理问题课件
仿星器装置的介绍
仿星器是一种类似于恒星内部结构的受控热核聚变装置，其名称来源于它的形状和 功能。
仿星器装置通常由多个磁场线圈组成，通过改变线圈电流来控制等离子体的形状和 约束。
仿星器装置的主要优点是能够模拟恒星内部的物理环境，并且具有较高的等离子体 密度和温度，因此在磁约束受控热核聚变研究中具有一定的应用价值。
热核聚变反应的点火与燃烧过程
总结词
点火与燃烧过程是磁约束受控热核聚变中的关键环节 ，涉及到高温、高压和高密度的极端物理条件。
详细描述
为了实现聚变反应的持续进行，需要解决点火与燃烧 过程的问题。点火涉及到聚变反应的启动，需要足够 的高温和高密度条件以克服热力学障碍。燃烧过程则 涉及到反应的维持和扩展，需要保持高温和高密度条 件，同时解决能量传输和输运问题。这一过程需要深 入研究燃烧等离子体的物理机制、能量传输和输运特 性以及高温等离子体的辐射性质等方面的知识。
02
磁场约束
通过强大的磁场，将高温等离子体限制在特定形状的磁场结构中，防止
其与容器壁直接接触。磁场强度和形状需精确控制，以确保等离子体的
稳定约束。
03
高温高压条件
为了引发和维持聚变反应，需要将等离子体加热到极高温度（数亿度）
，同时施加足够的高压。这需要采用先进的加热技术和能源输入方法。
磁约束受控热核聚变的应用前景
在球马克装置方面，研究者们成功地 实现了等离子体的均匀分布和稳定约 束，并探索了其在磁约束受控热核聚 变研究中的潜在应用前景。
04
面临的挑战与未来发展方向
等离子体控制技术的挑战
维持等离子体的稳定性
在磁约束受控热核聚变过程中，需要克服各种不稳定性，如ELM（边缘局域模）和ITG （内部输运垒）等，以确保等离子体的稳定运行。
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EAST装置是我国自行设计研制的国际 首个全超导非圆截面托卡马克装置
16个大型“D”形超导纵场磁体将产生纵场 强度 B = 3.5 T 12个大型极向场超导磁体可以提供磁通变化 ΔФ ≥ 10 伏秒； 通过极向场超导磁体，将能产生 ≥ 100万安 培的等离子体电流,持续时 间将达到1000秒， 在高功率加热下温度将超过一亿度。 运行需要超大电流、超强磁场、超高温、超 低温、超高真空等极限环境，从芯部上亿度高 温到线圈中零下269度低温
研究方向： 1、托卡马克等离子体磁流体活性研究 2、托卡马克等离子体湍流与输运研究
国内磁约束聚变发展状况
主要机构：中核集团西南物理研究院（SWIP）(HL-1,HL-1M,HL2A) 中科院合肥等离子体物理研究所（ASIPP) ( HT—6B,HT—6M ,HT—7,HT-7U(EAST))
磁约束核聚变
Magnetic Confinement Fusion
关于聚变
两个较轻的核结合而形成一个较重的核和一个很轻的核（或粒子）的一种核反应形 式
D T
4
He + n + 17.6MeV
产生氚的过程：
n + Li T
7
6
4
He + 4 . 9 MeV 7
n + Li n +T+ He -2. MeV 47
国际磁约束聚变发展状况
普林斯顿大学等离子体物理实验室 (美) 布德克（Budker）核物理研究所（BINP） （俄罗斯） 于里希核研究中心（德） 亚原子物理和宇宙学实验室—格勒诺布尔 (CNRS/IN2P3 - UJF - INPG)（法） 加拿大同步辐射研究所（CISR）（加拿大） 京都大学研究堆研究所（KURRI）（日） 巴巴原子能研究中心（印度） 欧洲联营环形托卡马克实验（JET）（英国）
氘氚反应堆实际消耗的是氘和锂 发展的目标是：氘氦-3，氘氘反应
4
粒子的平均动能与动力温度
1keV =10 K
由氘氚反应：
7
D T
4
He + n + 17.6MeV
1 5
α粒子的动能：17.6MeV×
热化后温度：350亿度
实现氘氚反应所需能量：10KeV
惯性约束
聚 变
磁约束
θ箍缩 θ-pinch Z箍缩 Z-pinch 磁镜 magnetic mirrors 仿星器 stellarator 托卡马克 Tokamak
ITER
International Thermonuclear Experimental Reactor
•目前全球规模最大、影响最深远的国际 科研合作项目之一，建造大约需要10年， 耗资50亿美元 •ITER计划倡议于1985年，并于1988年 开始实验堆的研究设计工作 •主要成员：欧盟、印度、日本、韩国、 俄罗斯和美国 •2003年1月，国务院批准我国参加ITER 计划谈判，经过三年谈判，2006年5月 24日，中国加入ITER计划
中国科技大学
大连理工大学 华中科技大学 清华大学
EAST
Experimental Advanced Superconducting Tokamak
1997年 项目被中央科技领导小组批准 2000年10月国家发展计划委员会批准项目正式开工建 设
2006年 工程调试和实验运行（总共三次）
2007年3月01日：项目正式通过国家竣工验收
/bar/dn9p
连接到ITER工地现场的摄像头
磁约束的主要问题
“自持燃烧”的关键问题： 氘氚等离子体的特征 α粒子的约束及“排灰” 遥控操作技术 α粒子驱动的不稳定性研究 自持燃烧的剖面控制及高增益的燃烧控制 “稳态运行”的关键问题 高自举电流份额 氚工艺及氚的“自持” 长于小时计的放电脉冲时间多于月计的运行时间 等离子体的大破裂 包层工程及“活化”材料 电功率输出
参考文献： 石秉仁 《磁约束聚变原理与实践》
邱励俭 《聚变能及其应用》
tokamak
环形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）、线圈（kotushka）
托卡马克的核心是 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。
tokamak发展历史
苏联的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维 齐等人在1950年代发明的 二十世纪六十年代苏联科学家在T-3 Tokamak在宏观稳定性上取得突破性进 展取得优势地位 1970年起世界上掀起“tokamak”热 1976年ITER(international tokamak experimental reactor）提上建造议程
•ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克 马克。其装置中心是高温氘氚等离子体环，其中存在 15兆安的等离子体电流，核聚变反应功率达50万千瓦 •作为聚变能实验堆，ITER要把上亿度、由氘氚组成的 高温等离子体约束在体积达837立方米的"磁笼"中，产 生50万千瓦的聚变功率，持续时间达500秒