核聚变与托卡马克装置简介

托卡马克装置(TOKAMAKS)
在核聚变反应中,反应物在极高温度状态下会 完全电离,变为整体呈电中性的等离子状态,由 于他们扩散的能力非常强烈,任何实物都无法 承受如此高的温度,因此必须采用特殊的方法 将高温等离子体约束住.使之顺利的发生核聚 变反应. 在实际的约束方法中,通常有两种: 1 惯性约束 2 磁约束
2 3 4 1
1
D 1 D 1T (1.01 M eV ) 1 H (3.03 M eV )
2 2 3 1
发生核聚变反应的必备条件:
1 高温高密(温度在10KeV以上) 2 粒子的约束时间τ足够长(秒量级)
即应达到劳森判据(LAWSON CRITERION):
T 5 1 0 2 1 m 3 skeV n E
JET.
到了90年代,又有几个难点被先后攻克.其中包 括可以用氘氚混合物代替氚做反应物.可以产生 更大的反应能.例如在TFTR中,50-50的氘氚混合 物产生了持续超过一秒的10MW的能量. 当前kokamaks中大部分问题已得到解决,下面的 就是重点就是如何实现点火.目前看来最有希望 的就是一个多国合作项目ITER(International Thermonuclear Experiment Reator)这将是人 类为解决能源问题做的一个最伟大的壮举.
宏观效果磁应力: 宏观磁应力是等离子体的整体感受到磁场给 予的宏观作用力磁应力又叫做磁张力,它包括 磁拉力和磁压力.磁拉力是沿着磁力线方向的. 磁压力来自于相邻的磁力线,它的方向垂直于 磁力线,而且从磁力线密的一侧指向磁力线疏 的一侧.
箍缩力 在等离子体中施加电场后,电子和离子在相反的 方向加速,粒子通过碰撞损失掉电场方向的速度, 最后在加速和碰撞损失之间达到一个平衡,维持 一个稳定的速度,形成等离子体电流,它可以看作 由无数个细小的电流管组成,流向相同的电流管 之间会有一个相互吸引.这种向中心的收缩趋势 称之为箍缩效应
托卡马克装置示意图
环流器中各方向磁场的建立
1 环向磁场的建立 2 角向磁场的建立 3 平衡磁场
首先,环形等离子体是通过变压器,对真空室中 的氘氚混合气体进行放电电离形成. 环流器中,等离子体会在环形真空室中快速旋转 而不和器壁接触此时的提供洛伦兹力的环向磁 场是由套在外面的数个环形磁体提供的 角向磁场则是由等离子体电流产生的自发磁场. 这两个磁场在环形器中构成如上图所示的螺旋磁 场,在回转变换下,等离子体在环形真空室中运动.
2
3nT
E
V
采用核聚变获取能源的一些优点:
1 轻核聚变反应中放出的能量是惊人的.如果将 一升海水中的氘提取出来发生聚变反应的话,相 当于充分燃烧300升汽油. 2 原料储量极为丰富.地球海水中蕴含大量的氘, 如果开采使用,即使人类能源使用量逐年递增,也
可以供给几百亿年使用 3 放射性环境污染不严重,即使有污染的氚也是 反应的中间产物,容易处理.
谢谢大家!
核聚变与托卡马克装置简介
1
核聚变反应
2
托卡马克装置中磁场位形简介
原子核的结合能是研究核聚变能源的出发点:
[Zm p ( A Z )mn ] m N m
上式中,A是核子数,Z是质子数 最早发现核聚变反应可以放出能量的是 F.W.Aston,他用爱因斯坦的质能关系公 式计算了 4 H e 和 1 H 的质量
平衡磁场阿(位形控制磁场) 在环形磁约束装置中,等离子体还有一个保持平 衡位置的问题.一个即使被约束的很好的等离子 体环,在热膨胀力和磁场从环中心向外侧磁压力 的作用下,也会向四周扩散,在极短的时间内撞到 真空环形器壁上.这比宏观磁流体不稳定还危险 的威胁,为此还要加上一个平衡磁场,把等离子体 定位在真空室中间.为了实现这个目的,还要在外 面加上一组平衡场线圈并通过电流产生垂直场, 把等离子体向环内推.(如下图所示)
随着大型托卡马克装置的出现,约束时间提高 到100ms,在随后的试验中发现, 当等离子体最小半径达到2m时,可以达到反应 所要求的时间秒量级.JET已经 做到了1.5m. 此外70年代主要任务还有如何提高反应温度. 到80年代早期已经达到了几个 Kev.80年代出现的tokamaks主要有TFTR和
托卡马克是一种环形等离子体约束装置,它是 利用磁场将高温等离子体约束在一定的区域, 使之达到劳森判据所要求的参数范围.
磁约束的基本原理 磁场对等离子体的约束能力体现在磁场和等离 子体间的相互作用力,它主要包括三个方面:
1 磁场对等离子体中每个带电粒子的洛伦兹力 2 由上面而产生的宏观效果磁应力 3 由电流本身磁场产生的箍缩力
由上面的分析可以看出,托卡马克的环流器部 分主要由环形真空室和三个磁场的线圈组成. 反应中应特别注意的一些问题！.
真空室在填充氘氚混合气体之前,必须做成高 真空状态. 因为即使少量杂质的混入都会导致 以下后果: 1 增加等离子体的高度不稳定性.(扩散增强,磁 场约束效果变差) 2 辐射增强,反应能量降低无法达到核反应所必 须的温度(10kev)
托卡马克发展历史
托卡马克(tokamaks)一词起源于俄文 toroida lnaya kamera magnitnaya Katushka意思为 “环形室”(toroidal chamber)和“磁线圈”(mag
etic coil) Tokamaks装置起源于上世纪五十年代的前苏 联,同时期美欧也在大力发展期间发展的一个 重要阶段是注意了避免杂质(impurity掺入的问 题.这直接导致了60年代反应温度达到了1kev. 70年代重点转到了如何将约束时间从毫秒量级 做进一步的提高.到了80年代
PH
1 4
n v e V
2
3nT
ELeabharlann Baidu
V
聚变反应中的点火问题(ignition) 所谓实现点火即聚变反应中产生足够多 的α粒子,这些粒子的能量足以补偿等离 子体的能量损失以维持聚变反应持续进 行,无需外部的辅助加热. 在这种情况下,功率平衡公式就变为:
1 4
n v e V
当前,核聚变从获取能源的角度来看,主要有 如下几种反应:
1
D 1T 2 H e (3.5 M eV ) 0 n (14.1 M eV )
2 3 4 1
1
D 1 D 2 H e (0.82 M eV ) 0 n (2.45 M eV )
2 2 3 1
1
D 2 H e 2 H e (3.5 M eV ) 1 H (14.1 M eV )
(解释eV单位 , τ)
核聚变反应中的能量平衡问题(power balance) 以氘氚反应为例,反应中有大量的热核反应能 放出(1/5由α粒子携带,4/5由中子携带),而且, 在反应的最初阶段,还需要外界能量来维持反 应的进行,同时在反应进行当中伴随着能量的 损失.这样它们之间在某个时刻出现一中能量 平衡.用反应功率表示的话,即: