磁约束核聚变研究

D
vq( r ) 2 rL R
D 3 / 2 ( e q( r )) 2 ei
约束粒子产生的自举电流
压强梯度驱动的环向电流
Jb
dp
B p dr
一个磁面两侧的约束粒子轨道
新经典磁岛
反常输运和微观不稳定性
新经典输运仍不能解释高的输运系数，称为反 常输运。反常输运来自微观不稳定性。 微观不稳定性：λ~ρi，f >100 kHz
2002年，核工业西南物理研究院建成HL-2A装置。
中科院物理所和清华大学合作，建成一台球形托卡马克SUNIST。 华中科技大学将美国的TEXT装置引进国内。 2005年，我国决定加入ITER。 中国科学院等离子体物理研究所建成超导托卡马克EAST。
我国第一个有偏滤器的环流器 HL-2A
超导托卡马克EAST
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
( 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
EAST安装现场（2005/1）
我国的装置参数的地位
我国本世纪核能发展战略
热中子 反应堆 快中子 增殖堆 聚变堆
磁约束聚变装置类型
托卡马克 球形托卡马克 仿星器 磁镜 箍缩装置 球马克 内环装置
聚变装置类型在位形-时间平面 上的分布
开端装置和环形装置
环形装置中的粒子漂移
梯度和曲率漂移
B B v B (W 2W|| ) eB 3
反场箍缩装置中的磁场分布
用同轴枪产生Z箍缩
Z箍缩的应用
核聚变 X射线和中子源 X射线激光器 脉冲强磁场
球马克（sphromak）位形
球马克SSPE截面
悬浮环装置
LDX
OCTOPOLE
主要物理问题
平衡 宏观不稳定性 输运 约束 辅助加热和电流驱动 粒子约束、杂质、加料和排灰
环形系统的Grad-Shafranov方程
D + 3He → 4He(3.67MeV) + p(14.67MeV)
聚变反应截面
几种聚变反应的比较
反应 D-D 截面 小 温度 高 燃料 易得 辐射 强
D-T
大
低
高
易得
登月
强
弱
D-3He 小
等离子体约束
聚变反应堆原理
聚变-裂变混合堆
238U
+ n —> 239Pu
核工业西南物理 研究院设计的聚 变-裂变混合堆
1969年，英国Calham实验室的科学家携激光散射测量装置去苏联T-3装置 实地测量，证实确实达到很高的电子温度。
1970年，各国开始建造自己的托卡马克。
1974年，美国公布角向箍缩装置Scyllac的结果。
1979年，美国串列磁镜TMX成功验证串列磁镜概念。
磁约束聚变研究历史（续）
1985年，苏美首脑建议合作建造国际热核实验堆，即ITER
DT聚变 0.5公斤D2 1.5公斤Li6 (0.7公斤T2)
2公斤He4
聚变和裂变堆关闭后的放射性
聚变能对全世界总一次能源的贡献估计
核聚变反应
两核间位势曲线
每核子平均结合能曲线
主要聚变反应
D + D → T(1.01MeV) + p(3.03MeV) D + D → 3He(0.82MeV) + n(2.45MeV) D+T → 4He(3.52MeV) + n(14.06MeV)
球形托卡马克（球形环，ST）
环径比A=a/R
及其数值的发展
传统托卡马克和球形托卡马克（ST） 等离子体截面
两种装置中磁力线和粒子运动轨迹
磁场利用因子和环径比的关系
START等离子体照片
NSTX装置
SUNIST装置 （清华大学，中科院物理所）
从所加磁场和比压值所做的分类 （彭元凯）
ST在世界上的分布
1998年，日本JT-60装置的DD反应的实验参数的等效DT反应能量增益因子Q 达到1.25。
ITER完成工程设计 2005年，参加ITER计划六方决定将装置建在法国
磁约束和惯性约束聚变达到参数的进展
（和计算机比较）
托卡马克的进展
（和芯片、加速器比较）
托卡马克的进展
ITER主要参数
大半径 6.2 m 等离子体小半径 2.0 m 拉长比 环向磁场 1.85 5.3 T
点火条件:仅用反应产生的、约 束在磁场内的α粒子维持反应所 需的温度，而无须外加热。
n E 1.5 10 m s
20 3
n E T 3 10 m keVs
21 3
Biblioteka Baidu
Lawson判据:考虑到聚变反应所 产生的所有能量经一定转换效率 （一般设为1/3）返回加热等离 子体，并考虑到轫致辐射损失， 得到反应可持续下去的条件。
磁约束聚变研究
王龙（退休金领取者）
2005/8 上海
磁约束聚变研究
聚变反应 磁约束聚变装置类型 主要物理和技术问题
核聚变反应
能源需求 聚变反应 点火条件 磁约束聚变研究历史 ITER 我国的磁约束聚变研究
各种能源储量和可用年数
（按目前消耗水平）
能源
储量（109J）
可用年数
石油
天然气
1.2X1013
ST聚变堆ARIES-ST设计
Plasma aspect ratio 1.60 Major toroidal radius (m) Toroidal Electron density (1020 /m3)
Plasma current (MA) CD power to plasma (MW) On-axis toroidal field (T) Fusion power (MW)
ST的特点
磁场能量利用率高 宏观稳定性好 可达到高的比压 未观察到破裂不稳定性 中心螺线管效率低 辐射问题严重
等离子体比压： 动力压强/磁压强
p /(B 2 / 2 0 )
ST的非中心螺管启动
同轴螺旋注入
垂直场启动
传统托卡马克和ST装置及反应堆尺寸比较
美国中期大科学工程规划中的ST
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
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。
第二届全国电工会议在哈尔滨召开。
黑龙江原子核研究所建成一台小型角向箍缩装置。 1965年，东北技术物理研究所（原黑龙江原子核研究所）与原 子能研究所十四室合并，迁往四川乐山，称西南585所。 1966年，第三届全国电工会议在哈尔滨召开。
文革和后文革时期（整合阶段）
1969年，中科院物理所建成一台角向箍缩装置，并得到聚变中子。 1971年，西南585所的仿星器《凌云》建成。 1974年，中科院物理所和电工所成功研制CT-6托卡马克。 “受控核聚变研究工作交流会”在乐山召开。
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。
等离子体电流
15 MA
辅助加热和电流驱动功率 73 MW 平均电子密度 平均离子温度 峰值聚变功率 1.1 X 1020 m-3 8.9 keV 500 MW
该装置的建造目的是： * 产生和研究，维持400秒的感应驱动燃烧等离子体 * 产生和研究，稳态非感应驱动燃烧等离子体 * 检验主要聚变堆技术 * 堆部件试验，包括氚处理
电漂移
EB vE B2
托卡马克装置的结构
托卡马克的磁面结构 和极向磁通定义
B dS p
Sp
B
R0
R
z
2RdR
安全因子定义
回转变换角
r B q(r ) R0 B p
磁力线绕小截面一周后在大环方向的环绕圈数
磁力线绕大环一周后绕小圆的角度
JT-60装置
n E 0.6 10 m s
20 3
磁约束聚变研究历史
1952年，美国第一次Sherwood方案会议在Denver举行。在以后几年里，发 展了仿星器、磁镜、箍缩等装置。 1957年，英国环形箍缩装置ZETA运行。 1958年，国际和平利用原子能会议在日内瓦召开。各主要国家将聚变研究 解密。 1961年，IAEA第一次国际核聚变会议在萨尔茨堡召开。 1964年，苏联研制T-3装置，大半径1m，环向磁场2-2.5Tesla，电子温度达到 600-800eV。 1968年，苏联在新西伯利亚会议上公布托卡马克上的结果。
磁镜装置
简单磁镜 标准磁镜 串列磁镜
磁矩 守恒
1 2 mv 2 B
阴阳线圈产生最小B磁场
越飞棒
垒球线圈
阴阳线圈
串列磁镜
串列磁镜TARA工作原理
串列磁镜TARA外形
箍缩（pinch）类装置
发展思路
反场箍缩 Z箍缩 直线 角箍缩 环形 角箍缩 Z箍缩
Z箍缩工作原理
直线角向箍缩装置(θ -pinch )
3.20
54 % 2.74
30.8 31 2.14 2,860
作为测试聚变堆部件中子源的
球形托卡马克设计CTF
仿星器结构和等离子体位形
W7AX仿星器位形
大型螺旋器LHD及其等离子体照片
仿星器所达 到的等离子 体参数
紧凑型仿星器NCSX的位形和成形线圈 （2007年运行）
下一步：球形仿星器（A < 3.5）
它所研究的燃烧等离子体物理问题有 * 高能粒子效应 * 自加热效应 * 堆尺度物理问题
ITER将建在法国的Cadarache
ITER预计工程进展
通往聚变之路
我国磁约束聚变研究机构的演变
（1958-2005）
电工会议时期（准备阶段）
1958年，中国科学院原子能研究所二部（现原子能科学研究院） 开始磁约束聚变的研究。 中国科学院物理研究所，以及电工研究所、北京大学、复旦大 学相继开展磁约束聚变研究。 1959年，原子能研究所建成脉冲磁镜《小龙》 第一届全国电工会议在北京召开。 1962年，卢鹤绂、周同庆、许国保《受控热核反应》出版。
内扭曲模 理想 气球模 电阻
扭曲模/内模的稳定区域
撕裂模的形成
磁岛位形
2/1和3/2磁岛 的生成和联结
MHD不稳定性的发展
好曲率和坏曲率
Mirnov振荡
HT-7装置上一种特殊的Mirnov振荡
不同振荡模式的出现
锯齿振荡现象
破裂不稳定性
破裂及相关效应
欧姆加热的新Alcator定标率
E ( s) 0.07 ne (10 20 m 3 )q 0.5 R(m) 2 a(m)
1.4X1013
40
50
煤
铀235（裂变堆）
1.0X1014
1013
300
30 30000
10 铀238釷232（增殖堆） 16
锂（DT聚变堆）
1019
3X107
煤和DT聚变所耗燃料和产生废料对比
（一天提供109W电能）
煤 燃料 9000吨煤 30000吨CO2 废料 600吨SO2 90吨NO2
1975年，中科院在安徽合肥筹建等离子体物理研究所。
西南585所超导磁镜装置303建成。
中国科学技术大学建立等离子体专业。
1980年，《核聚变》（《核聚变与等离子体物理》）创刊， 1981年，中国核学会核聚变与等离子体物理学会成立。 徐家鸾、金尚宪《等离子体物理学》出版。 1982年，项志遴、俞昌旋《高温等离子体诊断技术》出版。