托卡马克装置

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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。
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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。
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等离子体在环形螺旋磁场中的约束
托卡马克装置中的磁场，是由纵向磁场和角向磁场叠加 而成的环形螺旋磁场。这是一个不均匀的磁场，在环的 外侧磁场为极小，在环的内边缘磁场为极大。因为有磁 场梯度存在，所以带电粒子通旋中心的运动是由沿磁力 线的运动和磁漂移两部分合成的。 一类是“通行粒子”或“自由粒子”，这种粒子的速度 向量与螺旋磁场之间的夹角足够小，能够通过强磁场而 不被反射回来 另一种是“捕获粒子”或“约束粒子”，这种粒子的速 度向量与磁场之间的夹角比较大，不能通过强磁场区， 只能沿着磁力线在两个强磁场区构成的局部磁镜之间来 回运动：因其轨道象香蕉，所以也叫做“香蕉粒子”。
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托卡马克装置工作的基本原理
a:等离子体 b:平衡场线圈 c:真空室 d: 纵场线圈 e:铁芯变压器
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托卡马克装置工作的基本原理
托卡马克是一种轴对称的环形系统，就产生准稳态高 温等离子体装置的几何观点来看，它是闭合磁约束系 统中最简单的系统。典型的托卡马克装置如图所示。 它主要由激发等离子体电流的变压器(铁芯的或空芯 的)、产生纵磁场的线圈、控制等离子体柱平衡位置 的平衡场线圈和环形真空室组成。真空环为变压器的 次级线圈，变压器原边的电能，通过耦合引起真空环 内部感应而产生等离子体环电流。等离子体被流过它 的环形电流加热，由环形电流产生的角向磁场包围并 约束等离子体。
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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。
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托卡马克装置的磁场形态
纵场线圈产生的平行于环电流的纵向磁场用于抑制等离子体的 磁流体力学不稳定性。纵场强度要比角向磁场强度大许多倍， 在正常情况下>>10，这是托卡马克与其它环形装置的主要区 别，也是它的一个主要特点。 磁场有螺旋形结构
每根磁力线构成一个磁面，有一个r值，就有一个磁面 托卡马克装置的磁面，是一个套着一个的具有磁剪切的 圆环，沿等离子体围绕一周时即闭合的那根磁力线称为 磁轴。
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托卡马克装置的发展历史
托卡马克是一种准稳态环形放电装置。在环形系统中，它的结 构最简单，但是在其上所获得的等离子体参数却是到目前为止 最好的，而且有可能最先建成热核聚变反应堆。所谓托卡马克， 是指具有强磁场低“准稳态环形受控热核实验装置，是由苏联 库尔恰托夫原子能研究所的阿尔齐莫雄奇等首先提出来的。托 卡马克的发展大致可以分为下列几个阶段： 早期环形放电实验时期(1958年以前) 托卡马克概念形成时期(1958-1963年) 扩大实验阶段(1974年开始) 冲击点火条件阶段(1979年开始) 深入等离子体研究和点火条件模拟实验阶段(1982年目前)
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托卡马克装置等离子体 平衡和控制
Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences
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托卡马克装置等离子体平衡和控制
托卡马克装置的发展历史 托卡马克装置工作的基本原理 等离子体(Grad Shafranvo)平衡方程 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
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托卡马克装置的磁场形态
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托卡马克装置的磁场形态
在托卡马克装置的发展过程中，为了提高等高于体的温度 而仍保持其稳定性条件，可以设法把圆截面的等离子体沿 着大环主轴方向拉长成非圆截面(如椭圆、D型等)，这时 其磁面的截面也相应地成为非圆的截面。现代的实验结果 表明，该位形能产生高性能的等离子体，有助于高性能参 数的获得，加快了核聚变商业堆的研究步伐。 总之，托卡马克磁场结构的特点是：纵场强，角向场弱， 合成的磁力线具有旋转变换性质，并且旋转变换角很小： 这意味着螺旋磁力线沿等离子体柱大大伸展。正是由于这 个特点，使带电粒子的漂移大大减少，并为等离子体柱克 服磁流体力学不稳定性提供了条件。
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等离子体在环形螺旋磁场中的约束
应该注意，如果有了磁场误差或其它的非轴对称磁场， 则磁力线在多次绕环以后，它们常常和器壁相交，粒 子也就约束不住。在托卡马克装置中一个无法避免的 缺陷是装置只能使用有限个纵场线圈，引起纵向磁场 的起伏，这就会沿磁力线产生非常浅的局部磁镜，它 们能够捕获一小部分等离子体粒子：这种粒子既不围 绕环的小截面画圆圈，也不相对于赤道平面对称地被 捕获，它们将漂移出系统：除了这些磁捕获效应以外， 一个电场本身或者和磁场一起也能引起粒子捕获，使 粒子回旋中心轨道发生很大的变化：为了减小磁场误 差，一般需要细致的进行纵场线圈的设计。