磁约束受控热核聚变研究中的物理问题
磁约束核聚变托卡马克等离子体与壁相互作用研究进展
参 数 稳 态 等 离 子 体 物 理 问 题 和 托 卡 马克 装 置 及 未 来 反 应 堆关 键 材 料 问 题 。 其 中关 键 材 料 问题 的解 决
在很 大程度上取决于我们对等离子体与壁 材料相互 作用 （ ｌｓ ａＷａｌ ｎｅａｔ ｎ ，Ｐ ） 程和机 理 Ｐａｍ ． ｌＩｔｒｃｉ ｓ ＷＩ过 ｏ
ｔ ｒ ｄ ｃ ｅ ｈｇ — ａ ａ ｔ ｒ ｔａ ｙ ｓ ｔ ｌｓ ． ａ ｄ ｔ ｅ ｏｈ ｒｉ ｈ ｗ ｔ ｈ ｏ ｅ ｔ ｅｋ ｙ ｍａｅ ａｓ ｉ ｏ ａ ａ ｓｗ ｌ ａ ｏ ｐ ｏ ｕ ｅｔ ｉｈ ｐ ｒ ｍｅｅ ｅ ｄ — ｔ ｅｐ ａ ｍａ ｈ ｓ ａ ｎ ｈ ｔｅ Ｓ ｏ ｏｃ ｏ ｓ ｈ ｅ ｔ ｒ ｌ ｎ Ｔ ｋ ｒ ｋ ａ ｅ ｌ ｓ ｉ ｎ
区域内。因此 ，Ｐ 问题 直接决定了聚变 的装置运行安全性 、壁材料 部件研 发进程和未来壁 的使 用 ＷＩ
寿命 。 弄 清 Ｐ 的各 种 物 理过 程 和机 理 并 施 以 有 效 的 控 制 ，是 未 来 核 聚 变 能 实 现 的 重 要 环 节 之 一 。 ＷＩ
对 Ｐ 国内外研究 现状进 行了详细的总结评述 ，并 阐述 了 Ｐ 的未来发展趋势 和亟待解决 的问题 。 ＷＩ ＷＩ
ｎ ｃ ｓ ａｙ ｗａ ｏ ｓ ｌｅ ｔ ｅｍａｅ ｉｌ ｒ ｂｅ ｅ ｅ ｓ ｒ ｙ ｔ ｏｖ ｈ ｔｒ ｏ ｌｍ． Ｐ Ｉ ｓａｓ ｅ ａ ｄ ｄ ａ ｎ ｆ ｈ ｅ ｓ ｅ ｒｔ ｅ ｓ ｃ ｅ ｓｏ ｔ ｒ ａｉ ｎ ｌ ａｐ Ｗ ｌｏｒ ｇ ｒ ｅ ｓｏ ｅ ｏ ｅ ｋ ｙ ｉ ｕ ｓｆ ｕ ｃ ｓ ｆ ｎ ｅｎ ｔ ａ ｉ ｔ ｓ ｏ ｈ Ｉ ｏ
我国磁约束核聚变发展
我国磁约束核聚变发展随着能源需求的不断增长和传统能源资源的枯竭，人类对清洁、高效能源的需求日益迫切。
核聚变作为一种高效、清洁的能源形式，备受各国关注。
我国一直致力于磁约束核聚变技术的研究和发展，取得了令人瞩目的成果。
磁约束核聚变是利用磁场将等离子体束缚在一个磁约束器中，使其达到足够高的温度和密度，从而实现核聚变反应。
与传统的热核聚变不同，磁约束核聚变技术具有更高的可控性和稳定性，被认为是实现可控核聚变的最有希望的途径之一。
我国在磁约束核聚变领域取得了一系列重要的研究成果。
其中，最具代表性的是中国自主研发的“东方之星”等离子体物理实验装置，也被称为“中国人造太阳”。
该装置是我国目前最大的磁约束核聚变实验装置，能够提供长时间、高密度的等离子体运行环境。
通过对等离子体的控制和研究，我们能够更好地理解和解决磁约束核聚变过程中的物理问题。
我国还积极参与国际磁约束核聚变实验装置的建设和运行。
作为国际热核聚变实验反应堆（ITER）的合作方，我国在该项目中承担了重要的责任。
ITER计划建设一个具有商业级别尺寸的磁约束核聚变实验装置，旨在证明核聚变的可行性。
我国为该项目提供了大量的资金和技术支持，为我国核聚变技术的发展提供了宝贵的机遇。
我国在磁约束核聚变领域的发展离不开科研人员的辛勤努力和政府的大力支持。
我国的科研团队不断探索新的材料和技术，提高等离子体的温度和密度，以实现更高效的核聚变反应。
政府也加大了对核聚变技术研究的资金投入，鼓励科研人员深入研究核聚变领域的关键问题。
然而，磁约束核聚变技术仍面临许多挑战和困难。
一方面，如何在高温、高能环境下有效地控制等离子体，仍是一个亟待解决的问题。
另一方面，如何降低磁约束核聚变反应所需的能量成本，提高能量输出效率，也是当前研究的重点之一。
总的来说，我国在磁约束核聚变技术的研究和发展上取得了令人瞩目的成就。
通过自主研发和国际合作，我们在等离子体物理和核聚变领域积累了丰富的经验和技术。
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。
磁约束的应用及物理学原理
磁约束的应用及物理学原理简介磁约束是一种常见的物理现象，广泛应用于各个领域。
本文将介绍磁约束的应用以及其物理学原理。
磁约束的概念磁约束是通过磁场的作用将物质约束在特定区域内的现象。
通过利用磁场的力，可以控制粒子的运动轨迹，并达到限制粒子移动范围的目的。
磁约束常见于粒子加速器、等离子体物理研究、磁共振成像等领域。
粒子加速器中的磁约束粒子加速器是一种常见的研究物质性质的装置，其中磁约束起着重要的作用。
在粒子加速器中，通过利用强磁场将粒子束限制在加速器的轨道内，可以使粒子束稳定地运动，并实现高能量的加速。
磁约束在粒子加速器中的应用使得科学家能够研究粒子的性质，探索基本粒子的奥秘。
磁约束原理是基于洛仑兹力的作用。
洛仑兹力是当带电粒子在磁场中运动时，磁场对其施加的力。
根据洛仑兹力的方向和大小，可以调整磁场的参数以实现粒子束的稳定运动。
等离子体物理中的磁约束等离子体是由电离气体中的电子和正离子组成的物质。
在等离子体物理中，磁约束被广泛应用于等离子体的控制和研究。
通过利用磁场的力可以限制等离子体的扩散和漂移，从而保持等离子体的稳定性，并控制等离子体的形状和运动。
等离子体在核聚变研究中有着重要的应用。
核聚变是一种将轻元素聚合成重元素的核反应，是太阳能的主要能源产生方式。
在核聚变实验中，磁约束被用来将等离子体限制在磁约束装置中，使等离子体保持高温和高密度状态，以实现核聚变反应的条件。
磁共振成像中的磁约束磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）是一种常用的医学成像技术，广泛应用于诊断医学。
在MRI技术中，磁约束被用来操纵被检体内的原子核自旋，从而产生特定的磁共振信号。
通过对这些信号的分析和处理，可以获得被检体的高分辨率影像。
在MRI技术中，磁约束是通过强大的磁场来实现的。
磁场的强度和方向是MRI 成像的重要参数，能够影响成像的质量和清晰度。
通过精确控制磁场的分布和强度，可以实现对被检体内部结构的精确成像。
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。
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。
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。
五、托卡马克中的重要问题(磁约束、平衡、加热、第一壁之外)
五、托卡马克中的重要问题（磁约束、平衡、加热、第一壁之外）五、托卡马克中的其他重要问题(磁约束、平衡、加热、第一壁之外)1. 托卡马克物理发展的重要点19世纪30年代英国的M.法拉第以及其后的J.J.汤姆孙、J.S.E.汤森德等人相继研究气体放电现象，这实际上是等离子体实验研究的起步时期。
1879年英国的W.克鲁克斯采用“物质第四态”这个名词来描述气体放电管中的电离气体。
美国的I.朗缪尔在1928年首先引入等离子体这个名词，等离子体物理学才正式问世。
1929年美国的L.汤克斯和朗缪尔指出了等离子体中电子密度的疏密波(即朗缪尔波)。
对空间等离子体的探索，也在20世纪初开始。
1902年英国的亥维赛(发现地球上电离离层的中层，E层,被称为亥维赛层)等为了解释无线电波可以远距离传播的现象，推测地球上空存在着能反射电磁波的电离层。
这个假说为英国的E.V.阿普顿用实验证实。
英国的D.R.哈特里(1931)和阿普顿(1932)提出了电离层的折射率公式，并得到磁化等离子体的色散方程。
――――以下与托卡马克密切相关(在高温等离子体书中有对应内容)―――― 从20世纪30年代起，磁流体力学及等离子体动力论逐步形成。
等离子体的速度分布函数服从福克,普朗克方程。
苏联的Л.Д.朗道在1936年给出方程中由于等离子体中的粒子碰撞而造成的碰撞项的碰撞积分形式。
1938年苏联的A.A.符拉索夫提出了符拉索夫方程，即弃去碰撞项的无碰撞方程。
朗道碰撞积分和符拉索夫方程的提出，标志着动力论的发端。
1942年瑞典的H.阿尔文指出，当理想导电流体处在磁场中，会产生沿磁力线传播的横波(即阿尔文波)。
印度的S.钱德拉塞卡在1942年提出用试探粒子模型来研究弛豫过程。
1946年朗道证明当朗缪尔波传播时，共振电子会吸收波的能量造成波衰减，这称为朗道阻尼。
朗道的这个理论，开创了等离子体中波和粒子相互作用和微观不稳定性这些新的研究领域。
从1935年延续至1952年，苏联的H.H.博戈留博夫、英国的M.玻恩等从刘维定理出发，得到了不封闭的方程组系列，名为BBGKY链。
《聚变与受控热核反应》 讲义
《聚变与受控热核反应》讲义一、引言能源是人类社会发展的重要基石，而随着传统能源的日益枯竭以及对环境问题的日益关注，寻找新的、清洁的、可持续的能源成为当务之急。
在众多的新能源探索中，核聚变与受控热核反应无疑是最具潜力和前景的方向之一。
二、什么是核聚变核聚变是指将轻原子核（例如氢的同位素氘和氚）结合在一起，形成较重的原子核（如氦），并在这个过程中释放出巨大能量的过程。
从微观角度来看，当两个轻原子核足够接近时，它们之间的核力会克服库仑斥力，使它们融合在一起。
核聚变之所以能够释放出巨大的能量，是因为在形成新的原子核时，其质量会小于参与反应的原子核的总质量，根据爱因斯坦的质能方程 E=mc²，这部分损失的质量会转化为能量。
三、核聚变的优势1、能量巨大核聚变所释放的能量远远超过了传统的化学燃烧过程。
例如，1 千克氘氚燃料发生核聚变所产生的能量，相当于约 1 万吨煤燃烧所释放的能量。
2、资源丰富核聚变的燃料主要是氘和氚。
氘在海水中大量存在，每升海水中约含 003 克氘。
而氚虽然在自然界中很少，但可以通过锂的中子反应在反应堆中产生。
3、清洁环保核聚变反应过程中几乎不产生温室气体和放射性废料，对环境的影响极小。
四、受控热核反应要实现核聚变并将其能量有效地利用，关键在于实现受控热核反应。
受控热核反应是指在人为控制的条件下，使核聚变反应平稳、持续地进行。
然而，实现受控热核反应面临着诸多巨大的挑战。
首先，需要极高的温度。
要使原子核具有足够的动能来克服库仑斥力，从而发生融合，温度需要达到几千万摄氏度甚至上亿摄氏度。
其次，需要足够长的约束时间。
即使在高温下，原子核的碰撞融合也需要一定的时间，因此需要将高温等离子体约束在一定的空间内足够长的时间，以提高反应的概率。
此外，还需要足够高的密度。
增加原子核的密度可以提高它们相互碰撞的机会，从而促进核聚变反应的发生。
五、实现受控热核反应的方法目前，主要有以下几种实现受控热核反应的方法：1、磁约束利用强大的磁场来约束高温等离子体。
托卡马克实验的物理基础
托卡马克实验的物理基础
托卡马克（tokamak）实验是一种磁约束聚变（Magnetic Confinement Fusion）技术。
该技术是利用磁场将等离子体（Plasma）约束在一个狭窄的空间内，在高温条件下达到聚变反应所需的参数。
托卡马克实验中，等离子体在托卡马克装置内被加热至数百万度以上，通过磁场约束在中心区域，从而达到核聚变所需的温度和密度。
等离
子体在聚变过程中会释放出大量的能量，可被用于制造电力。
托卡马克实验的物理基础包括：
1. 等离子体物理学：等离子体是被激发的气体，由带正电荷的离子和
自由电子组成。
等离子体物理学研究等离子体中离子和电子的性质、
相互作用以及运动规律。
2. 磁场约束：托卡马克实验中，通过产生环状的磁场将等离子体约束
在一起。
由于等离子体带电，在磁场中存在洛伦兹力，使等离子体在
中央聚集。
3. 等离子体加热：等离子体需要被加热至非常高的温度才能发生聚变
反应。
托卡马克实验中，通常使用微波、射频等高能粒子进行加热。
4. 电磁波、粒子与辐射传输：托卡马克实验中，等离子体内的反应过
程涉及粒子的输运、电磁波和辐射的产生和传输等复杂过程，需要进
行详细的研究和模拟。
以上是托卡马克实验的物理基础，它是目前人类研究热核聚变的
主要手段之一。
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
等离子体物理与磁约束核聚变
等离子体物理与磁约束核聚变核聚变作为一种清洁高效的能源形式一直备受科学家们的追求。
而在核聚变研究中，等离子体物理和磁约束技术起到了至关重要的作用。
本文将介绍等离子体物理的基本概念和特性，以及磁约束核聚变技术的原理和挑战。
1. 等离子体物理的基本概念和特性等离子体是一种由正负离子和自由电子组成的高度电离的气体。
在高温和高能量作用下，原子的电子被迅速激发到高能级，形成高度电离的等离子体。
这种等离子体具有许多独特的物理特性，比如导电性和磁性。
导电性是等离子体的一个重要特性，是由于其中的自由电子可以传导电流。
这使得等离子体可以被外加电磁场所操控。
而磁性是由于等离子体中带电粒子运动所产生的磁场。
这种磁场可以对等离子体的大小和形状产生影响，并且可以通过外加磁场进行控制。
2. 等离子体的应用领域等离子体物理的研究不仅仅局限在核聚变领域，还涉及到许多其他领域的应用。
在半导体工业中，等离子体被用于制造高纯度材料和表面清洁。
在环境保护中，等离子体可以用于废水处理和空气净化。
在医学领域，等离子体用于癌症治疗和细胞植入。
3. 等离子体物理在磁约束核聚变中的应用磁约束核聚变是一种将轻核聚变成重核来释放能量的过程。
等离子体物理在磁约束核聚变中起到了关键的作用。
在磁约束装置中，通过在等离子体产生和维持一个强大的磁场，使得热等离子体能够保持稳定性并达到足够高的温度和密度条件，以使核聚变反应发生。
等离子体在磁约束核聚变中的应用主要有两个方面。
首先，通过产生强大的磁场，可以使等离子体稳定地保持在装置中，这样可以防止等离子体与设备之间的碰撞和损坏。
其次，磁场也可以调整等离子体的形状和大小，以使得反应更加高效和稳定。
4. 磁约束核聚变技术的挑战尽管磁约束核聚变在理论上被视为一种理想的能源形式，然而在实际应用中面临许多挑战。
其中最大的挑战之一就是能量的损耗。
在磁约束装置中，由于等离子体的运动速度很高，存在能量传输的损耗。
这意味着装置需要消耗大量的能量来维持等离子体的稳定。
托卡马克磁约束
托卡马克磁约束
托卡马克磁约束是一种使用磁场来控制等离子体运动的物理原理。
它是核聚变技术中常用的一种方法，利用强磁场将等离子体固定在中心位置，实现等离子体长时间热稳定运行。
本文将就托卡马克磁约束的原理、优点、缺点以及应用进行详细介绍。
托卡马克磁约束利用的是等离子体受磁场力的性质，利用磁场将等离子体固定在中心位置，防止等离子体撞击装置壁面。
在托卡马克磁约束中，设计了一种磁场强度在中心达到最大值，这种磁场被称为等离子体采用的极向磁场。
磁场是由馆架外轴向线圈和内侧的环形线圈组成的，在该场中，等离子体在较强的线圈电流作用下被压缩成强约束的狭缝，形成环形等离子体，这种扭曲的构造使得符合能量守恒定律，从而维持等离子体的稳定性。
1.磁约束使得等离子体长时间的稳定运行，使得核聚变反应可以持续进行。
2.稳定的等离子体环境为核聚变反应的实现提供了可靠的物理条件。
3.扭曲的构造使得符合能量守恒定律，从而维持等离子体的稳定性。
1.托卡马克磁约束需要大量的电磁感应材料，工艺复杂，制造成本较高。
2.托卡马克环形磁场的建立需要消耗大量的能量，所以其能源消耗量较大。
3.等离子体的密度不稳定，容易被破坏，维护难度较大。
托卡马克磁约束在核聚变实验和电力工业中得到了广泛应用。
在核聚变研究中，托卡马克磁约束是实现核聚变反应的主要方式之一。
在电力工业中，托卡马克磁约束可以应用于制造核反应堆，利用核聚变产生的高能粒子热转化为电能，提供清洁的能源来源。
总之，托卡马克磁约束利用磁场约束等离子体运动，具有优良的长时间稳定性和宽阔的应用前景，正逐渐成为实现核聚变能源的有力工具之一。
cicc导体在iter工程应用中若干关键力学问题研究
CICC导体在ITER工程应用中若干关键力学问题研究摘要"国际热核聚变实验堆(ITER)计划"是目前全球最大、影响最深远的国际科技合作项目之一。
该计划旨在验证磁约束受控核聚变反应堆的科学性与技术可行性,通过由CICC（Cable in Conduit Conductor）导体绕制而成的托克马克装置产生强磁场，将上亿摄氏度的高温等离子体约束在磁笼内诱发可控热核聚变。
2014年ITER组织磁体部门负责人Devred教授指出当前ITER用CICC导体主要面临三大挑战：1，CICC导体制备过程中普遍存在电缆穿管退扭问题，伴随着电缆节距增加引起交流损耗的增大，这将严重影响CICC导体电流输运特性及稳定性。
2，CICC导体短样在热-电磁循环载荷作用下分流温度随循环加载次数的增加表现出退化行为，这就意味着按照目前这种设计方式，ITER仅能运行数千次，远低于原计划的3万次，这加剧了人们对ITER工程的担忧。
3，高性能超导股线研发与接头制备。
我们知道，托克马克装置中心场与环向场螺线管CICC超导电缆是由Nb3Sn超导股线经多级绞扭而成。
而已有的研究表明Nb3Sn超导性能对力学变形极为敏感。
因此，研究超导电缆的等效力学参数及其在多场作用下的力学行为是实现托克马克磁体系统安全性与稳定性设计的基础。
本文针对超导电缆等效力学参数、穿管过程中的电缆退扭行为、热-电磁静载荷作用下的超导股线屈曲行为以及热-电磁循环载荷作用下的分流温度退化等关键科学问题开展实验与理论研究。
本文主要研究内容如下：首先，基于细杆理论对一级子缆轴向拉伸时的应力应变状态进行了分析，建立了一级子缆轴向拉伸刚度模型。
受限于绞线制备工艺，股线间通常存在间隙以及残余扭转变形。
针对这两种情形下的一级缆拉伸刚度分别建立了弹簧模型及修正的细杆理论模型，两种模型理论计算结果与实验测试结果吻合良好。
自行设计并完成绞线热膨胀系数高精度测试系统，对碳纤维绞线与凯夫拉绞线轴向热膨胀系数进行实验测试，得到绞线节距对轴向热膨胀系数的影响规律。
物理实验技术中如何进行热核聚变实验
物理实验技术中如何进行热核聚变实验热核聚变是一种重要的能源来源，对于掌握这项技术的实验研究具有重要意义。
本文将从实验设备、实验工艺和实验结果三个方面介绍物理实验技术中如何进行热核聚变实验。
实验设备是进行热核聚变实验的关键，其中主要包括磁约束装置和等离子体加热装置。
磁约束装置在热核聚变实验中起到至关重要的作用。
它通过强大的磁场将等离子体约束在空间中，使其保持稳定。
其中，托卡马克装置是一种常见的磁约束装置，它利用环形磁场产生器产生强大的轴向磁场，在环形磁场作用下，等离子体在托卡马克腔体中流动。
此外，还有恩诺计算机控制磁约束装置，它结合了先进的计算机技术和磁约束装置，能够实现更高精度的磁场控制。
磁约束装置的优劣将直接影响热核聚变实验的结果。
等离子体加热装置是进行热核聚变实验的另一个关键设备。
等离子体在热核聚变实验中需要达到非常高的温度，通常需要通过加热来实现。
各种不同的加热方式被用于不同的热核聚变实验。
例如，常用的等离子体加热装置有电子回旋共振加热器、中性束加热器和超声波加热器等。
这些装置能够提供高能量电子、高速中性粒子或超声波能量，将能量传递给等离子体，从而实现等离子体加热。
合理选择和配置等离子体加热装置能够提高热核聚变实验的效果。
实验工艺是热核聚变实验中不可忽视的环节。
在实验过程中，需要根据实验对象的特点和目标设定实验的参数和条件，确保实验的可控性和可重复性。
首先，实验过程中需要精确控制等离子体的温度、密度和压力等参数。
通过精密的仪器和传感器，可以实时监测等离子体的状态，控制加热功率和等离子体的流速，从而调整等离子体的温度和密度。
此外，还需要控制等离子体的压力，确保等离子体的稳定性。
其次，实验中需要准确控制实验设备的工作模式和工作状态。
例如，磁约束装置的磁场强度和分布需要根据实验要求进行调整，以保持等离子体的稳定。
等离子体加热装置的能量输出也需要根据等离子体的状态进行控制，以避免过度加热或加热不足。
磁约束受控热核聚变研究中的物理问题
1，电子温度分布的剖面不变性：
• 模型：电子温度梯度(ETG)驱动的湍流支配电 子能量的反常输运； 温度分布陡（温度梯度大）→湍流发展→输运 系数增加→温度分布变平→温度梯度低于一定 的阈值→湍流就消失→输运系数就降到新经典 理论预言的值→温度分布变陡。 • 自洽平衡的结果，就使得电子温度梯度保持在 阈值附近而呈现某种不变性。虽然线性理论求 得的ETG模的不稳定阈值与实验结果很接近， 但理论计算和数值模拟得到的ETG模引起的输 运系数都远小于实验观测值。因此，理论仍然 不能定量解释并预见电子温度分布的剖面不变 性这种自组织现象。
Cryostat
Toroidal Field Coil Nb3Sn, 18, wedged 24 m high x 28 m dia. Port Plug (IC Heating) 6 heating 3 test blankets 2 limiters/RH rem. diagnostics
Fusion Power: 500 MW Plasma Volume: 840 m3 Nominal Plasma Current: 15 MA Typical Temperature: 20 keV Typical Density: 1020 m-3
2，输运壁垒(Transport Barrier)：
• 等离子体能量约束的低（L-）模：
E E /( dE / dt ) P
0 .5
• 等离子体能量约束的高（H）模： 在一定的条件下，当非欧姆加热 功率超过一定的阈值时，等离子 体会发生向高（H）约束模式的 突变。H模的一个特点就是等离 子体的密度和温度在等离子体 边缘部分会很快变陡而形成台基状的边缘输运壁垒
三、磁约束等离子体中的自组织现象
可控核聚变研究范文
可控核聚变研究范文
在可控核聚变的研究中，目前最有希望的方法是采用磁约束聚变（Magnetic Confinement Fusion，MCF）技术。
磁约束聚变利用强大的磁
场将等离子体（高温高能量的电离气体）束缚于一定空间范围内，以防止
等离子体与壁面接触，从而保持高能密度。
通过将等离子体加热到数亿度
的高温，使核反应发生，从而实现核聚变。
在磁约束聚变研究中，存在着许多技术挑战。
首先，如何创建一个可
以保持高能密度的稳定等离子体状态是一个重要的问题。
高温等离子体的
稳定性受到许多因素的影响，如磁场不均匀性、等离子体运动导致的湍流等。
为了解决这个问题，科学家们提出了许多改进方法，如使用超导磁体
来提高磁场均匀性，采用外加强磁场来抑制湍流等。
其次，如何提高等离子体的热稳定性也是一个关键问题。
高温等离子
体会释放大量的热能，这会导致等离子体过热和它周围的装置烧毁。
因此，有必要探索新的材料和结构来承受高能密度等离子体带来的挑战。
同时，
高温等离子体与壁面的相互作用也会产生大量的等离子体杂质，这导致了
等离子体的冷却和压力增加，这对操控等离子体的行为产生了不利影响。
除了上述技术挑战，还有一个重要的问题是如何获取足够大的能量输出。
当前的磁约束聚变实验设施的能量输出是远远小于输入的，这意味着
我们还没有找到一个可行的方法来实现可控核聚变能源的商业化。
目前的
研究主要集中在提高能量输出效果，如使用更强大的磁场、更高温度的等
离子体等。
热核聚变实验的难点及重点研究
热核聚变实验的难点及重点研究热核聚变作为一种可持续的清洁能源，近些年来吸引了越来越多的关注。
热核聚变是指将两种轻元素（通常是氢和氦）在极高温度和压力下融合成更重的元素，并且在这个过程中释放出大量的能量。
然而，在将热核聚变应用于实际能源产生之前，研究人员必须克服一个巨大的难题：如何实现并控制热核聚变的过程。
理论上，热核聚变所需要的条件相当苛刻，因此研究热核聚变的过程并不是一件容易的事情。
下面将会介绍一些目前热核聚变实验中的难点及研究重点。
一、温度和压力在热核聚变的过程中，原子核需要具备足够的运动能量来克服核间的斥力力量，使之相互接近。
这个过程需要极高的温度和压力。
一些目前使用的实验方法包括惯性约束聚变（ICF）和磁约束聚变（MCF）。
在MCF实验中，重点在于如何在稳定的磁场中控制高温等离子体的运动轨迹，以便让原子核相互靠近并发生聚变。
而在ICF实验中，需要将一定的能量集中到靶点上，以使靶点几乎瞬间达到足够高的温度和压力。
二、等离子体中的湍流等离子体中的湍流是指由流体运动引起的无序流动，这个过程中存在高低速流动区域的交错和扰动。
湍流将会使得聚变过程中的等离子体不稳定，导致聚变反应的失控。
在热核聚变实验中，研究人员必须找到一种控制湍流的方法，以维持聚变反应的稳定性。
三、增强等离子体热稳定性由于等离子体具有高度不稳定性，聚变反应只会持续短短的时间。
为了实现持续稳定的聚变反应，研究人员需要想办法增强等离子体的热稳定性。
一种方法是通过将大量的惯性尺寸最小但速度最快的粒子（例如α粒子）引导到等离子体中，来引发更多的聚变反应。
这个过程需要来自聚变的放热能量来令粒子运动，并通过特殊的加速器来将粒子引导入等离子体。
四、缩小聚变反应的体积聚变反应释放出的能量足以驱动涡轮发电机将其转化为电能。
但是，聚变反应体积庞大的问题仍然是一个亟待解决的问题。
目前的一些聚变实验需要非常巨大的设备才能够容纳聚变反应。
因此，研究人员需要开发出一些针对小型聚变反应设备的技术和方法，以便实现聚变反应的实用性。
磁约束核聚变研究
1965年，他负责三线基地，即原二机部585所 的筹建工作，1969年底，随三线建设迁至四川 乐山原二机部 585 所，即现核工业西南物理研 究院。文化大革命结束后，任二机部 585 所所 长，任职期间，他指导了中国环流器一号装置 的设计建设，领导了这一装置和全所的等离子 体物理与聚变工程技术的研究工作。 70年代初，他在国内率先提出了聚变裂变共生 堆的概念 李正武先生1980年被选为中国科学院院士 1988年，为了指导我国受控聚变事业的发展， 他及时提出了中国环流器二号的概念设计框架， 成为中国环流器二号计划的早期基础。
为什么加入ITER
据2006年6月国际能源巨头BP公司发布的《BP世 界能源统计》[11]的数据
中国的石油和天然气储量都 占世界总储量的1.3%，煤炭 占总储量的12.6%
90%上的能源为不可再生能源
可能的轻核聚变反应
D T He (3.5MeV) n (14.1MeV)
4
50% D D T (1.01MeV) p (3.02MeV) 50% He3 (0.82MeV) n (2.45MeV) D He3 He 4 (3.6 MeV) p (14.7MeV) 51% T He3 He 4 p n 12.1MeV 43% He 4 (4.8MeV) D (9.5MeV) 6% He5 (2.4 MeV) p (11.9MeV) p Li6 He 4 (1.7 MeV) He3 (2.3MeV) p B11 3He4 8.7 MeV
1993年6月9日，中共中央政治局常委、全国政协主席 李瑞环同志在安徽省委书记卢荣景陪同下，来等离子 体所考察
1996年10月24日，中科院副院长路甬祥来等离子体所视察
等离子体物理试探题参考
思考题电离气体必然是等离子体吗？反过来呢？答：电离气体不必然是等离子体，反过来也不必然。
试就高温、低温、高密度、低密度等离子体各举一例。
答：磁约束受控热核聚变等离子体是高温等离子体，电弧等离子体是低温等离子体，太阳内部等离子体是高密度等离子体，电离层等离子体是低密度等离子体。
德拜屏蔽效应必然要有异性离子存在吗？答：不必然，完全由电子组成的非中性等离子体也具有德拜屏蔽效应。
用电子德拜长度表示等离子体的德拜长度的前提是什么？答：主若是所考虑问题的时刻尺度应小于离子的响应时刻，离子不能响应。
由于德拜屏蔽，带电粒子的库仑势被限制在德拜长度内，这是不是意味着粒子与德拜球外粒子无彼此作用？什么缘故？答：有，可是表现为集体彼此作用，事实上屏蔽本身能够视为彼此作用的传递进程，粒子对德拜球外的粒子的彼此作用，通过周围屏蔽粒子的传递而作用。
关于完全由同一种离子组成的非中性等离子体，能够有德拜屏蔽的概念吗？答：一样有，但现在是指在平稳状态下，系统对电扰动的屏蔽作用。
常规等离子体具有不容忍内部存在电场的禀性，这是不是意味着等离子体内部不可能存在专门大的电场，什么缘故？答：不必然，在小于德拜长度的空间尺度中，能够存在局域很强的电场，在比等离子体特点响应时刻小的时刻尺度中，能够存在瞬时的强电场。
在电子集体振荡的模型中，假设初始时不是所有电子与离子产生分离而是部份电子，那么振荡频率会发生转变吗？若是转变，如何说明？答：从方程上看，现在的振荡频率似乎会减小，即将电子密度换成份离电子密度，若是如此，集体振荡频率就不是等离子体的一种特点频率，因为与振荡扰动的幅度相关。
但事实上如此处置是不对的，部份电子与离子分离的情形应用此模型无法进行。
因为当部份电子分离时，未分离的电子一样会运动，使得电场会增大，结果使振荡频率仍然是等离子体频率。
粒子之间的碰撞是中性气体中粒子彼此作用的唯一途径，在等离子体中也如此吗？粒子间能量动量互换还有什么途径？答：等离子体中粒子间能量、动量互换途径除碰撞外，还能够通过许多集体彼此作用形式，如不稳固性、粒子－波－粒子作用等。
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• 环状位形中捕获粒子的香蕉轨道
• 经典扩散、新经典扩散和反常输运： D ， D ( r ) • 实验发现，离子和电子横越磁力线的热扩散系 数分别约为新经典理论预言值的十倍到一百倍 • 漂移运动和微观不稳定性：ITG,ETG,TEM…. • 集体效应主导的输运
2
2
• 有待解决的基本问题: 1,离子能量的反常输运:湍流的发展过程、饱和 机制、饱和幅值及其与等离子体参数的关系等， 仍然不能从理论上准确计算离子的热传导系数; 2,电子能量反常输运:引起反常输运的微观不稳 定性的驱动机制;湍流的发展过程、饱和机制、 饱和幅值及其与等离子体参数的关系等; • 这将是今后一段时间各国的研究人员从理论、 计算机数值模拟和实验等方面进行深入研究的 一个课题。
HL-2A is a divertor tokamak constructed at SWIP new site based on original ASDEX main components(magnet coils and vacuum vessel) and based on the experiences from HL-1/1M.
Cryostat
Toroidal Field Coil Nb3Sn, 18, wedged 24 m high x 28 m dia. Port Plug (IC Heating) 6 heating 3 test blankets 2 limiters/RH rem. diagnostics
Fusion Power: 500 MW Plasma Volume: 840 m3 Nominal Plasma Current: 15 MA Typical Temperature: 20 keV Typical Density: 1020 m-3
谢谢！
磁约束受控热核聚变研究中的 物理问题
董家齐 核工业西南物理研究院 浙江大学聚变理论与模拟中心
概要
一、引言 二、高温等离子体的约束和输运 三、磁约束等离子体中的自组织现象 四、磁场重联和等离子体流 五、ITER 简介 六、结束语
一、引言
• 受控核聚变在现代物理学中的地位 ：2003年诺 贝尔物理学奖获得者Vitaly L. Ginzburg在他的 获奖演说中列出了二十一世纪初物理学的三十 个重要领域（“physical minimum” at the beginning of the XXI Century）。出人意料的是， 他没有把让他走上领奖台的研究领域-超导和超 流，而是把受控核聚变(controlled nuclear fusion)列于其首[1]。在对此作解释时，他提到 了1978年诺贝尔物理学奖获得者P. L. Kapiza的 获奖演说的题目是：等离子体和受控热核反应。
• 受控热核聚变是与将来的经济发展、社会进步、人类 文明密切相关的有广阔应用前景的重大研究领域。 • 受控热核聚变研究中有极具科学探索性和对人类智慧 的挑战性的基础科学问题。 • 受控热核聚变研究的基本思想: 氢（氘和氚） → 等离子体(电子和原子核混合而成的 完全电离气体)→高温等离子体→核聚变 • 磁约束聚变(托卡马克)和惯性约束聚(激光打靶和Z箍 缩) • 受控热核聚变研究中，无论磁约束还是惯性约束或Z 箍缩中，都存在很多有普遍科学意义的问题。我们将 简要介绍磁约束聚变研究中的几个物理问题。
1，电子温度分布的剖面不变性：
• 模型：电子温度梯度(ETG)驱动的湍流支配电 子能量的反常输运； 温度分布陡（温度梯度大）→湍流发展→输运 系数增加→温度分布变平→温度梯度低于一定 的阈值→湍流就消失→输运系数就降到新经典 理论预言的值→温度分布变陡。 • 自洽平衡的结果，就使得电子温度梯度保持在 阈值附近而呈现某种不变性。虽然线性理论求 得的ETG模的不稳定阈值与实验结果很接近， 但理论计算和数值模拟得到的ETG模引起的输 运系数都远小于实验观测值。因此，理论仍然 不能定量解释并预见电子温度分布的剖面不变 性这种自组织现象。
• 由L模向H模转变的这种突变很像非线性 力学中的分叉现象,它是由等离子体自发 产生的，是一种自组织现象。但是，其 具体的转变条件，机制、控制参量及其 对等离子体参数的依赖关系等，目前仍 然缺乏定量的理论描述。 • 等离子体的离子（电子）温度分布会在 空间的某个位置附近变得很陡而形成内 部输运壁垒
四、磁场重联和等离子体流
• 磁场重联是在太阳和宇宙空间普遍存在的自然现象。 它指的是在一定的条件下，原本互相平行的磁力线会 相交并重联。 • 磁约束聚变等离子体中存在极其 丰富的磁场重联现象。其中比 较典型的是由撕裂模的非线性 发展引起磁场重联而产生的 磁岛结构。
• 磁约束聚变等离子体是研究磁场重联的好环境 • 问题：撕裂模引起的磁岛结构使等离子体内部 区域的磁力线与外部区域的磁力线（磁场）重 联。这就使重联区域的温度分布变平（沿磁力 线温度近似为常数）而等离子体约束应变坏。 但是，实验发现，在一定的条件下，在容易形 成磁岛的区域，而且，输运垒往往与磁岛 相伴出现。这种现象在实验中经常观测到，但 至今没有完整的理论解释。
• EAST
六、结束语
• 受控核聚变与等离子体物理紧密相关。而后者是物理 学的一个新分支，理论体系和实验手段都在快速发展。 • 在美国，等离子体物理已经被约50所大学列入物理系 本科学生的课程，不少比较好的大学，都有这方面的 研究生专业。在日本，欧洲，从事这方面研究的大学 也不少。 • 在我国，这个分支还不为多数物理学工作者所熟悉。 • 受控核聚变等离子体物理研究中面临的问题与现代物 理学的一些基本问题紧密相关。 • 希望有关专家关注这些问题。 • 希望使对物理学有兴趣的年轻人知道，受控核聚变研 究不但是有广阔应用前景的重大研究领域，在开发核 聚变能源的过程中，还有很多探索未知世界，认识物 理学基本规律的机遇和挑战，很值得有志青年为之奋 斗，为之献身，实现自己的理想和抱负。
• 内部输运垒的产生也不是由外部控制的， 连其产生的位置也是不可预见的
• 实验似乎表明，对磁约束等离子体系统， 存在多个准平衡态，在一定的条件下， 系统可以在各个态之间过渡。找到各种 可能的准平衡态并探索系统在其间转换 的条件或几率，是今后一段时间该领域 的一个重要课题。
3,湍流自组织过程产生的带状流和束流 （zonal flows or/and streamers）也是当前 聚变科学界注意的一个焦点
• 受控核聚变：是让轻原子核（主要是氢及其同 位素氘和氚）聚合所产生的核能以可控的方式 释放出来并有可观的能量增益的核反应 D+D→T(1.01 Mev)+P(3.03 Mev) D+D→He3(0.82 Mev)+n(2.45 Mev) D+T→He4(3.52 Mev)+n(14.06 Mev) • 氢弹爆炸是核聚变反应，但它是瞬间的、不可 控的。 • 太阳上的核聚变反应是持续的、不可控的。 • 受控核聚变能源：资源丰富（足够用上几百亿 年）、洁净（无污染）、安全（核事故概率几 乎为零）且经济（消费者可以承受）
五、ITER (International Thermonuclear Experiment Reactor) 简介
Central Solenoid Nb3Sn, 6 modules Blanket Module 440 modules Poloidal Field Coil Nb-Ti, 6 Vacuum Vessel 9 sectors
三、磁约束等离子体中的自组织现象
• 磁约束等离子体是一个非平衡态多体系统 • 磁约束等离子体是一个自由度十分巨大、具有丰富的 集体运动模式的复杂系统 • 磁约束等离子体中存在丰富的非线性的力学和电磁效 应 • 磁约束等离子体中观察到众多自组织物理现象,这些现 象都可看作是非线性力学系统中的自组织现象在磁约 束等离子体中的具体表现，具有很重要的普遍意义， 同时又很典型，内容很丰富 • 有丰富的实验数据,但通过对资料和数据的分析去探索 其背后的深层次的物理机理的工作，亟待发展
二、高温等离子体的约束和输运
• 受控核聚变要解决的首要问题：将高温、高密等离子 体约束在有限的范围内达到足够长的时间→在单位时 间内发生足够多的核聚变反应 • 带电粒子在磁场中的运动：沿磁力线自由运动+在垂直 于磁场方向的回旋运动 c 2T m / qB • 环形磁约束系统：托卡马克（a）和仿星器(b)
Divertor 54 cassettes
Torus Cryopump 8 units
China’s participation in the ITER project
• China announced to join the ITER project negotiation with commitments at the end of 2002. • The six parties (CN, EU,KO, JP, RU, US) agreed to select Cadarachi as the ITER site in Oct. 2005. • The negotiation for International Agreement was finished in March 2006, . • The Ministers of 6+IN signed the ITER International Agreement in May 2006.
2，输运壁垒(Transport Barrier)：
• 等离子体能量约束的低（L-）模：
E E /( dE / dt ) P
0 .5
• 等离子体能量约束的高（H）模： 在一定的条件下，当非欧姆加热 功率超过一定的阈值时，等离子 体会发生向高（H）约束模式的 突变。H模的一个特点就是等离 子体的密度和温度在等离子体 边缘部分会很快变陡而形成台基状的边缘输运壁垒