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。
可控核聚变技术介绍
可控核聚变技术介绍可控核聚变技术是一种用于实现可控制的核聚变反应的技术。
核聚变是一种将轻元素聚合成更重的元素过程，其释放的能量比核裂变要大得多。
然而，要实现核聚变并控制释放的能量并非易事，因为核聚变反应需要极高的温度和压力条件才能发生，并且控制聚变反应释放的能量也是一个巨大的挑战。
可控核聚变技术的核心目标是实现长时间、持续的核聚变反应，并从中获取可用的能量。
为了达到这个目标，科学家们开展了大量的研究和实验，提出了多种可控核聚变技术。
其中，最为著名的可控核聚变技术是磁约束聚变（Magnetic Confinement Fusion）和惯性约束聚变（Inertial Confinement Fusion）。
磁约束聚变是一种利用强磁场控制等离子体运动的技术。
在这种技术中，等离子体被加热至数千万摄氏度的温度，形成高能量的等离子体状态。
然后，利用强大的磁场将等离子体约束在一个容器中，防止其接触到容器壁，并保持等离子体的稳定状态。
在这个过程中，等离子体中的氢原子核发生聚变，释放出巨大能量。
然而，目前磁约束聚变技术仍存在许多挑战，如如何保持等离子体的长时间稳定、如何有效地控制等离子体的运动等。
惯性约束聚变是一种利用高能量激光或粒子束将燃料靶点加热至高温、高密度条件下进行核聚变的技术。
在这种技术中，通过激光或粒子束的瞬时作用，使得燃料靶点迅速受热膨胀，并形成高温、高密度的等离子体，从而实现核聚变反应。
然而，惯性约束聚变技术也面临着许多挑战，如激光或粒子束的能量转化效率、靶点的对称性等问题。
除了磁约束聚变和惯性约束聚变技术，还有其他一些可控核聚变技术也在不断发展中。
例如，磁惯性约束聚变（Magneto-Inertial Confinement Fusion）将磁约束聚变和惯性约束聚变相结合，以期克服各自技术的缺点。
同位素聚变（Isotope Fusion）是利用氘氚聚变反应产生能量的一种可控核聚变技术。
这些技术在实现可控核聚变的过程中都有其独特的优势和挑战。
磁约束热核聚变
磁约束热核聚变百科名片磁约束热核聚变一类受控热核聚变引。
用特殊形态的磁场把氘、氚等轻原子核和自由电子组成的、处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限的体积内，使它受控制地发生大量的原子核聚变反应，释放出原子核所蕴藏的能量。
磁约束热核聚变是当前开发聚变能源中最有希望的途径，是等离子体物理学的一项重大应用。
磁约束热核聚变magnetic-confinement thermonuclear fusion受控热核聚变的基本条件对于原子核聚变反应中反应截面最大、相对容易实现的氘-氚聚变,要实现控制，最终建造可提供有增益的聚变能的热核聚变反应堆，必须具备一些基本的物理条件。
①把高度纯净的、氘和氚的混合材料,加热到1亿度以上，即达到所谓热核温度。
在这样的超高温度，氘氚混合气体已完全电离，成为氘、氚原子核和自由电子混合而成的等离子体。
②从常温下处于分子状态的氘、氚材料开始，一直到上述热核温度的整个加热过程中，把这个尺寸有限的等离子体约束起来，使组成等离子体的原子核在发生足够多的聚变反应之前，不至于失散。
定量地说，对于氘氚聚变，需要满足下列条件，式中n是单位体积(米)等离子体内原子核的数目（等于同一体积内自由电子的数目）;τ是一个带有平均热动能的高速电子或原子核在等离子体内停留的时间。
这个条件称为约束条件，或劳孙判据，它是根据氘氚聚变的反应截面并考虑了等离子体整个加热和产能过程中热能转换实际可能的效率而得出的,是聚变反应堆产生功率(能量)增益所必需满足的最低条件。
例如,当氘氚混合体的原子核密度(指的是数密度，下同) n为10τ米时，要求每个电子及原子核在等离子体内停留的时间，平均达到1秒以上。
基本原理根据氘氚聚变的反应截面计算，一团氘氚混合气体,需要达到10千电子伏(等于1.16×10开)以上的温度，氘、氚原子核才能得到足够高的速度来克服它们相互之间的静电排斥力而接近到有足够的几率穿透核势垒，发生聚变，从而释放出核内蕴藏的能量，并超过轫致辐射等能量损耗而提供能量增益。
磁约束核聚变原理
磁约束核聚变原理嘿，朋友们！今天咱来聊聊磁约束核聚变这神奇的玩意儿。
你说这磁约束核聚变啊，就像是一场超级酷炫的魔术表演！想象一下，在一个特别的舞台上，那些微小的粒子们就像是调皮的小精灵，到处乱跑乱撞。
而我们呢，要想办法把它们给约束住，让它们乖乖地按照我们的意愿来行动。
这可不是一件容易的事儿啊！就好像你要抓住一群调皮的小猫，它们可不会老老实实地待在你指定的地方。
但是呢，科学家们可聪明啦！他们想出了用磁场来约束这些粒子的办法。
磁场就像是一个无形的大笼子，把那些粒子都关在里面，让它们只能在特定的区域里活动。
你可能会问啦，为啥要搞这个磁约束核聚变呢？哎呀，这可太重要啦！核聚变能产生巨大的能量啊，那能量简直多得吓人！要是我们能把这个技术玩转了，那以后我们的能源问题不就轻松解决啦？再也不用担心没电啦，也不用怕油价涨啦！你看现在，我们用的电很多都是靠烧煤、烧油发出来的，这多不环保啊！而且那些能源总有一天会用完的。
但是核聚变就不一样啦，它的原料在大海里多得是，简直就是取之不尽用之不竭呀！磁约束核聚变的研究可不容易啊，就像是攀登一座超级高的山峰。
科学家们一步一步地往上爬，遇到了好多困难和挑战。
有时候可能会失败，但是他们可不会轻易放弃！他们就像勇敢的战士，一直在为了实现这个伟大的目标而努力奋斗。
这过程中也有好多有趣的故事呢！比如说有时候实验会出现一些意想不到的情况，就像一场小小的闹剧。
但是科学家们会从这些意外中吸取经验教训，让自己变得更强大。
咱普通人虽然不能直接去搞这个磁约束核聚变，但是我们可以支持科学家们呀！给他们加油打气，让他们知道我们都在期待着他们的成功。
反正我觉得吧，磁约束核聚变就是未来的希望！它就像一道光，照亮我们走向美好未来的路。
我坚信，总有一天，科学家们会攻克所有的难题，让磁约束核聚变真正为我们所用。
到那个时候，我们的生活将会发生翻天覆地的变化，那该有多棒啊！你难道不期待吗？。
核聚变的磁约束
核聚变的磁约束1. 简介核聚变是一种将轻元素（如氘和氚）融合成重元素（如氦）的过程，释放出巨大能量的反应。
与核裂变不同，核聚变反应是可持续的，且不产生长寿命的放射性废料，因此被认为是理想的能源来源之一。
然而，要实现可控的核聚变反应并将其应用于能源生产，需要克服许多技术挑战。
磁约束是实现核聚变的一种重要方法，它利用磁场将等离子体约束在特定的空间中，以防止其与容器壁接触并散失能量。
本文将详细介绍核聚变的磁约束技术及其原理、应用和挑战。
2. 磁约束原理磁约束技术的核心是利用磁场对等离子体施加力，使其保持在特定的空间中。
磁约束可分为两种类型：轴向磁约束和径向磁约束。
2.1 轴向磁约束轴向磁约束是通过在等离子体周围创建一个轴向磁场来约束等离子体。
这个磁场使得等离子体沿着磁场线方向运动，防止其沿轴向扩散。
轴向磁约束通常使用螺管磁体或线圈来实现，这些磁体或线圈产生一个沿着等离子体轴向的磁场，将等离子体约束在中心位置。
2.2 径向磁约束径向磁约束是通过在等离子体周围创建一个径向磁场来约束等离子体。
这个磁场使得等离子体沿着磁场线方向运动，防止其沿径向扩散。
径向磁约束通常使用环形磁体或线圈来实现，这些磁体或线圈产生一个沿着等离子体径向的磁场，将等离子体约束在环形空间中。
3. 磁约束应用磁约束技术在核聚变研究和实验中具有广泛的应用。
以下是一些磁约束应用的例子：3.1 磁约束聚变堆磁约束聚变堆是一种利用磁约束技术实现核聚变反应的装置。
它通常由一个环形磁体或线圈和一个等离子体室组成，磁场约束等离子体在室内运动。
通过在等离子体中提供足够高的温度和密度，可以实现核聚变反应。
3.2 磁约束聚变反应堆磁约束聚变反应堆是一种利用磁约束技术实现可控核聚变反应的装置。
它通常由一个大型的环形磁体或线圈和一个等离子体室组成，磁场约束等离子体在室内运动。
通过控制磁场和等离子体的参数，可以实现可控的核聚变反应，并将其转化为能量。
3.3 磁约束聚变实验装置磁约束聚变实验装置用于研究核聚变反应的基本性质和物理过程。
可控核聚变的不同模式
可控核聚变的不同模式下载温馨提示：该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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磁约束热核聚变
向速度就要减小，甚至为零。通常将这种由弱到强的磁场位
形叫做磁镜。如右图，两个同向通电线圈产生中间弱两边强
的磁场位形，带电粒子在横向受到磁场约束，在纵向则在两
线圈中来回反射，从而达到约
束的目的。
不过，一部分纵向动能较大的粒子仍然有可能从磁镜两
环形磁约束结构
端逃出。而采用右图所示的环形磁约束结构则可避免这种情况。这种结构也是下面将要提到 的托卡马克装置的基本结构。
莫维齐宣布在苏联的 T-3 托卡马克上实现了电子温度 1 keV，质子温度 0.5 keV，nτ=10
的 18 次方 m-3.s，这是受控核聚变研究的重大突破，在国际上掀起了一股托卡马克的
热 潮 ，各 国 相 继 建 造 或 改 建 了 一 批 大 型 托 卡 马 克 装 置 。其 中 比 较 著 名 的 有 ：美 国 普 林
最早的托卡马克装置是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在 20
世纪 50 年代建造的。相比其他方式的受控核聚变，托卡马克拥有不少优势。1968 年 8
月 在 苏 联 新 西 伯 利 亚 召 开 的 第 三 届 等 离 子 体 物 理 和 受 控 核 聚 变 研 究 国 际 会 议 上 ，阿 齐
邀请欧共体、日 本、美国和加拿大、前苏联的代表在维也纳开会，讨论加强核聚变研究的
国际来的 ITER。
三、国际热核聚变实验堆计划（ITER） 1985 年，前苏联领导人戈尔巴乔夫和美国总统里根在日内瓦峰会上倡议，由美、
苏、欧、日共同启动"国际热核聚变实验堆（ITER）"计划。ITER 计划的目标是要建造 一个可自持燃烧（即"点火"）的托卡马克核聚变实验堆，以便对未来聚变示范堆及商 用聚变堆的物理和工程问题做深入探索。此后几经波折，在美国退出后，2001 年， 欧、日、俄三方通过了提案，ITER 项 目正式启动。2003 年，中国加入到 ITER 计划中，进一个月后，布什政府表示 愿意返回计划。 2005 年，韩国也宣布 加入 ITER。在各国达成协议后，ITER 的建设地点选在法国核技术研究中心 Cadarache。整个计划将投资 50 亿美 元（1998 年值），由各方按不同的比 例承担。建造期预计为 8 至 10 年，运 行期 20 年。2006 年，印度加入 ITER， 使 ITER 的参加国几乎覆盖了世界上全
先进磁约束聚变-概述说明以及解释
先进磁约束聚变-概述说明以及解释1.引言概述先进磁约束聚变是一种新兴的核能技术，它致力于实现可控核聚变反应以产生清洁且高效的能源。
本文将介绍先进磁约束聚变技术的基本原理、优势和挑战，以及展望其在未来能源领域的应用前景。
通过对先进磁约束聚变技术进行全面的分析和探讨，我们希望能够为这一领域的发展提供有益的参考和启发。
文章1.1 概述部分的内容文章结构部分的内容如下："1.2 文章结构"本文将主要从三个方面进行讨论。
首先，将介绍先进磁约束聚变技术的基本原理和发展历程，以及其在能源领域的重要性。
其次，将探讨先进磁约束聚变技术相较于其他聚变技术的优势和特点，包括其在可持续能源发展中的潜力。
最后，将对先进磁约束聚变技术所面临的挑战和未来发展前景进行分析和展望，以期为该技术在能源领域的应用提供更多见解和思路。
1.3 目的本文的目的是介绍先进磁约束聚变技术在核聚变领域的重要性和应用前景。
通过对先进磁约束聚变技术的介绍和分析，希望能够让读者了解这一领域的最新进展和挑战。
同时，也希望能够激发更多人的兴趣，促进该领域的发展和研究。
通过本文的阐述，希望能够为读者提供对先进磁约束聚变技术的全面了解，以及对未来发展方向的思考，从而推动这一领域的进步和发展。
2.正文2.1 先进磁约束聚变技术介绍先进磁约束聚变技术是一种利用磁场将等离子体束缚在特定空间内，通过高温、高密度的等离子体反应实现核聚变能量释放的先进能源技术。
其核心是通过在等离子体中维持适当的温度和压力，使氢等离子体聚变成氦，释放出巨大的能量。
先进磁约束聚变技术主要包括磁约束聚变反应堆和磁约束聚变实验装置两个方面。
磁约束聚变反应堆是通过强大的磁场将等离子体束缚在球形或环形磁场中，使等离子体保持足够高的温度和压力，从而实现稳定、长时间的核聚变反应。
而磁约束聚变实验装置则是为了验证和研究核聚变反应的基本原理和技术问题而建立的小型试验装置，通过实验数据验证磁约束聚变技术的可行性和可靠性。
磁约束核聚变国家实验室制度
磁约束核聚变国家实验室制度
磁约束核聚变国家实验室制度是我国在磁约束核聚变领域的重要科研制度之一。
该制度旨在推动磁约束核聚变技术的研发和应用，提高我国在该领域的国际竞争力。
磁约束核聚变国家实验室制度包括多个方面的内容，例如实验室的组织架构、人员配备、经费管理、项目管理等。
实验室通常由多个研究团队组成，每个团队负责不同的研究方向和任务。
实验室的管理层则负责协调各个团队的工作，确保实验室的科研目标得以顺利实现。
在经费管理方面，磁约束核聚变国家实验室通常由国家提供资金支持，以确保实验室的正常运转和科研工作的顺利开展。
同时，实验室也会积极争取其他渠道的经费支持，如与企业合作、申请科研项目等。
在项目管理方面，磁约束核聚变国家实验室通常会设立多个科研项目，每个项目都有明确的研究目标和任务。
实验室会组织专家对项目进行评审和验收，确保项目的质量和成果达到预期目标。
总之，磁约束核聚变国家实验室制度是我国在磁约束核聚变领域的重要科研制度，为我国在该领域的科研工作提供了有力的保障和支持。
通过不断完善和优化实验室制度，我们可以进一步推动磁约束核聚变技术的发展和应用，为我国的科技进步和经济发展做出更大的贡献。
磁约束核聚变
磁约束核聚变我们知道，自然界存在着两种类型的聚变：一种是“热核”聚变，另一种是“电核”聚变。
但是，当物质处于高温时，发生的聚变并不稳定，反应过程也比较复杂。
因此，只有处于超高温（ 4000万摄氏度），压力达到100万个大气压（相当于100亿个大气压）以上的情况下，发生的聚变才是稳定的，我们把这样的现象称为“磁约束”。
由于巨大的高温和压力，磁约束反应堆需要的材料必须满足两个条件：第一，要具有极强的磁场和磁场梯度；第二，要具有非常高的比热容。
世界上第一座磁约束反应堆就建在法国的郎斯，它的容量为500千瓦。
一直到20世纪70年代末期，世界上所有研制出来的核聚变装置都属于“热核”，即利用燃料发生裂变释放出来的热量引起核聚变反应。
2001年，中国开始筹划建设第一座超导托卡马克实验装置——ITC-MK-A，其总投资将近2亿美元，占地面积超过13万平方米，是一座占地面积大、结构复杂的巨型反应堆。
在2004年8月的国际热核聚变实验堆（ ITER）计划中，中国获得了在ITC-MK-A建造和运行国际实验堆的合作权，这也标志着中国在国际热核聚变实验堆项目上迈出了重要一步。
原子核的稳定结构被打破后，要让它们尽快聚集成新的原子核，除了给它提供足够的能量外，还必须让它产生强烈的碰撞，而且越多越好。
超导托卡马克是一种全超导的环形容器，容器内部有数百根通电的铜导线组成。
容器内的物理条件与磁体外部十分相似，实验时，强大的电流会使托卡马克产生巨大的环形磁场，磁场又会进一步产生电场，从而形成超强的电磁场，环形电磁场形成了巨大的磁场梯度，将束缚住原子核，并加速其运动，聚变反应就这样发生了。
在最初阶段，托卡马克实验装置没有安装超导磁体，整个装置主要依靠惯性约束核聚变，核心部位则采用超导线圈，其重量只有惯性约束的几十分之一。
10年之后，中国在ITC-MK-A中首次成功地实现了商用磁约束核聚变反应。
这一事实证明了中国已经拥有了高端先进的磁约束核聚变技术，从此拉开了我国全面参与国际热核聚变实验堆的序幕。
核聚变磁约束
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。
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。
磁约束核聚变研究
( R )
2
2
0
R
j
( R ) 0 p ( )
R
2 0 2
F ( ) F ( )
用垂直场平衡托卡马克等离子体的道理
内侧分支点决定极向比压值R/a
环形装置主要宏观不稳定性
名称 扭曲模 撕裂模 性质 理想 电阻 形态 驱动源 低m 电流梯度/ 压强梯度 低m 电流梯度 m=1 压强梯度 高n 压强梯度 稳定方法 qa/q0>2, qa>m 磁剪切, qa>m q0>1 好曲率, <β>=<a/Rqa2
Δω ~ ω, Δk ~ k
分类：静电微观不稳定性 电磁微观不稳定性
涨落如何引起粒子损失？
垂直方向电场： 引起漂移速度 产生的粒子流 磁面平均
~ E E E
密度提高时会 达到极限
等离子体输运
经典输运系数： 扩散系数
Dc ei e2
离子热扩散率
i ii
2 i
电子热扩散率
e ee e2
托卡马克的实际输运系数远远大于经典值
新经典输运：
考虑到约束粒子（香蕉轨道）的贡献
新经典输运系数
D ( e q( r )) 2 ei
改革开放时期（攀登阶段）
1984年，核工业西南物理研究院研制成功HL-1环流器装置。同年， 中科院等离子体物理所研制成功HT-6M托卡马克装置。
1988年，马腾才、胡希伟、陈银华《等离子体物理原理》出版。
1991年，中科院等离子体物理所建成超导托卡马克HT-7。 1994年，核工业西南物理研究院将HL-1改装成HL-1M。 1999年，石秉仁《磁约束聚变：原理和实践》出版。 英文刊物《Plasma Science & Technology》创刊。
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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