托卡马克装置原理

0.37 4.5 0.68
Tore Supra Cadarache 2.37
0.8 4.5 2.0
ASDEX-U Garching 1.65
0.5 3.9 1.4
FTU
Frascati 0.93
0.3 8.0 1.3
TEXTOR94 Julich 1.75 0.46 2.8 0.8
TCV
Lausanne 0.88 精品课0.件24 1.4 0.17
托卡马克装置
概述 托卡马克工程 托卡马克原理
精Baidu Nhomakorabea课件
1
1,概述 托卡马克装置
环向等离子体电流产生极向磁场实现旋转变换，消除磁 场不均匀造成的漂移和粒子损失
电流和磁场： 平行和反平行
精品课件
2
托卡马克的复杂性
电流产生极向磁场，实现旋转变换．而电流轮廓是不能直接控制的， 造成了物理的复杂性．
等离子体参数
装置名称
地点
大半径 小半径 磁场 电流
(m)
(m) (T) (MA)
JT-60U
JAERI
3.4
1.1 4.2 2.5
TFTR Princeton 2.4
0.8 5.0 2.2
JET
Abinhdon 3.0
1.25 3.5 5.0
DIII D
GA
1.67 0.67 2.1 1.6
T-10
Kurchatov 1.5
诊断传感器：诊精断品课件
17
孔栏（limiter)和偏滤器(diverter)
极向 环向 束
３种孔栏和偏滤器
精品课件 ＨＬ－２Ａ的偏滤器位形 18
不同装置上的偏滤器
精品课件
19
等离子体分区
核心区(core region) 边缘区(boundary region) 删削区(scrape-off layer) 偏滤器区
Li r2N2 Mip Li /N Lp Li /N2Lpl
ULV N i LplddpItRpIp 在方程中使用漏感 磁化电流产生的磁场：假设磁场垂直铁芯表面
精品课件
12
平衡场（成形场）线圈
理想的加热场和平衡场
平衡形态计算
精品课件
ＨＬ－２Ａ 极向场系统
13
误差矫正场
误差（杂散）场来源：加工和安装误差，引线，不对称构件
磁 环向场 场 系 统 极向场
加热场 平衡场 矫正场
垂直场 水平场
精品课件
ＣＴ－６Ｂ击穿电场等值线： 在水平场－垂直场平面 14
磁体的类型
常温磁体 低温磁体 超导磁体
低温超导 高温超导
稳态磁体 脉冲磁体
精品课件
15
磁体的供电
脉冲磁体电源：电容储能（电能） 电感储能（磁能） 飞轮机组（机械能）
精品课件
Bt=6 tesla, Tmax=3.6keV
加热方式 ECRF ICRF LHRF NBI + NBI -
频率（能量）
28-170 GHz 25-120 MHz 1.3-8 GHz 80-140 keV
350 keV
精品课件
功率 2.8 MW 22 MW 25 MW 40 MW 5 MW
效率
30-40 % 50-60 % 45-50 % 35-45 %
欧姆加热
输运
电流轮廓
因果关系构成闭环，是一种自组织性
精品课件
3
托卡马克的缺点
欧姆加热的弱点：η∝Ｔ－３／２，温度增加 是加热效率降低．不能达到点火要求．必须 借助于辅助加热
脉冲运行：欧姆变压器必然是脉冲运行 的．稳态运行需要非感应电流驱动．
聚变中子辐射造成的材料问题
精品课件
4
托卡马克的发展 模式－定标律
圆线圈自感
LNI0N2R0f
形状因子
精品课件
9
Ｄ形线圈（纯张力线圈）
纯张力线圈方程
ky (1 y)3/2 y
解
lnxdx
y
C
k2 ln2 x
上下对称Ｃ＝０，可以有级数解， 形状接近Ｄ形，和常数k有关
精品课件
圆线圈受力
10
欧姆变压器
初级磁通变化产生电动势
EdLdI dt Ndt
R2NI L N
I
等离子体区的零场条件： 需要配置外线圈
变压器的伏秒数：
t
Vdt (t)(0)
0
反向磁化
精品课件
11
铁芯变压器
初级和次 级方程
Vi
Li
dIi dt
Mip
dIp dt
0 RpI p
Lp
dIp dt
Mip
dIi dt
Vi M ipddpItL M iL ip pddpItM LiipRpIp
装置主体
精品课件
8
环向场线圈
安培定律
NI
1
0
Bdl
磁场均匀时的积分
B 0 NI 2R
分立线圈产生波纹度 B/B
圆线圈总磁通
2 0 N R d I s 2 0 N a 0 rI 2 0 d R 0 d r r co 0 s N ( R 0 IR 0 2 a 2 )0 N 0 f I
针对ELM, H模的能量约束时间定标律IPB98(y,2)
t,9 h y 2 8 0 .0I 5 p 0 .9 B t 0 3 .1 6 n 1 0 5 .4 P 9 2 L 1 0 .6 R 1 9 .90 7 .5a 0 8 .7 M 8 0 .19
精品课件
5
主要大中型托卡马克装置（国外）
Laval喷嘴和超声分子束注 入
精品课件
分子束的电离和扩散
22
辅助加热和非感应电流驱动
欧姆加热的缺点：
Spitzer电阻率
0 .5n 1 em e2 ee1 .6 5 1 9 0 ln /T e 3/2(oh m )m
例：Zeff=1.5, qaq0=1.5, A=R/a=3, Tmax=0.87Bt4/5
特点
Q=1.25 DT运行 DT运行 长截面
超导磁体 Ｈ模 强磁场
杂质问题 截面形状 6
球形托卡马克的进展
环径比A=R/a, A<1.5称球形托卡马克
磁场利用率高 高的比压和安全因子 自然偏滤器位形 无大的破裂 材料问题更严重
精品课件 球形托卡马克ＭＡＳＴ
7
2,托卡马克工程： 托卡马克装置的配置
16
真空室和抽气系统
对真空系统的要求： １，真空性能：超高真空：Ｐ＜１０－５Pa ２，电气性能：高阻材料
场
渗透时 间常数
环向场 极向场
(ln8R 2) 0bd
b
1 0 bd 2
真空系统典型配置
机械泵
涡轮 分子泵
溅射 离子泵
真空室
加料 系统
真空室内配置：偏滤器(diverter)：减少杂质
孔栏 (limiter)：减少等离子体和壁相互作用
分支线(separatrix)
精品课件
20
加料方法
吹气(gas puffing) 弹丸注入(pellet injection) 超声分子束
弹丸产生和加速技术
为什么要加料？ １，补充粒子损失 ２，增加等离子体密度 ３，补充燃烧损失（堆）
精品课件
21
JT-60装置上的弹丸注入设备
超声分子束注入技术
37 %
23
中性粒子注入原理
精品课件
24
等离子体电流启动
感应启动和预电离
使用欧姆变压器和一定的预电离措施（ＲＦ，ＥＣＲＨ）
非感应电流启动
ＥＣＲＨ＋低杂波电流驱动
非中心螺管电流启动
ＥＣＲＨ＋垂直磁场
取消欧姆变压器的可能性
精品课件
25