托卡马克装置原理 PPT
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托卡马克装置
概述 托卡马克工程 托卡马克原理
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
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
欧姆加热
输运
分子束的电离和扩散
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 0 9ln /T e 3/2(o h m )m
例：Zeff=1.5, qaq0=1.5, A=R/a=3, Tmax=0.87Bt4/5
Bt=6 tesla, Tmax=3.6keV
分支线(separatrix)
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）
JT-60装置上的弹丸注入设备
超声分子束注入技术
Laval喷嘴和超声分子束注入
t, 9 h y 2 8 0 . 0I p 5 0 . 9 B t 0 3 . 1 6 n 1 0 5 . 4 P 9 L 2 1 0 . 6 R 1 9 . 90 7 . 5a 0 8 . 7 M 8 0 . 19
主要大中型托卡马克装置（国外）
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
解
y lnxdx 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
圆线圈受力
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
铁芯变压器
初级和次 级方程
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 诊断传感器：诊断
孔栏（limiter)和偏滤器(diverter)
极向 环向
束
３种孔栏和偏滤器
ＨＬ－２Ａ的偏滤器位形
不同装置上的偏滤器
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
平衡场（成形场）线圈
理想的加热场和平衡场
平衡形态计算
ＨＬ－２Ａ 极向场系统
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
ＣＴ－６Ｂ击穿电场等值线： 在水平场－垂直场平面
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
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
球形托卡马克ＭＡＳＴ
2,托卡马克工程： 托卡马克装置的配置
装置主体
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但要小声点
9源自文库
环向场线圈
安培定律
1
NI0 Bdl
磁场均匀时的积分
B 0 NI 2R
分立线圈产生波纹度 B/B
稳态磁体 脉冲磁体
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）
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
真空系统典型配置
(ln8R 2) 0bd
b
1 0 bd 2
机械泵
涡轮 分子泵
溅射 离子泵
真空室
加料 系统
中性粒子注入原理
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
Vi
Li
dIi dt
Mip
dIp dt
0 RpI p
Lp
dIp dt
Mip
dIi dt
Vi M ipddpItL M iL ip pddpItM LiipRpIp
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
电流轮廓
因果关系构成闭环，是一种自组织性
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
托卡马克的发展 模式－定标律
针对ELM, H模的能量约束时间定标律IPB98(y,2)
圆线圈总磁通
0 N d I s 0 N a rI 2 dd r 2 R 20 0 R 0 r c
o 0 N s ( R 0 IR 0 2 a 2 ) 0 N 0 f I
圆线圈自感
LNI0N2R0f
形状因子
Ｄ形线圈（纯张力线圈）
纯张力线圈方程
ky (1 y)3/2 y
概述 托卡马克工程 托卡马克原理
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
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
欧姆加热
输运
分子束的电离和扩散
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 0 9ln /T e 3/2(o h m )m
例：Zeff=1.5, qaq0=1.5, A=R/a=3, Tmax=0.87Bt4/5
Bt=6 tesla, Tmax=3.6keV
分支线(separatrix)
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）
JT-60装置上的弹丸注入设备
超声分子束注入技术
Laval喷嘴和超声分子束注入
t, 9 h y 2 8 0 . 0I p 5 0 . 9 B t 0 3 . 1 6 n 1 0 5 . 4 P 9 L 2 1 0 . 6 R 1 9 . 90 7 . 5a 0 8 . 7 M 8 0 . 19
主要大中型托卡马克装置（国外）
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
解
y lnxdx 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
圆线圈受力
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
铁芯变压器
初级和次 级方程
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 诊断传感器：诊断
孔栏（limiter)和偏滤器(diverter)
极向 环向
束
３种孔栏和偏滤器
ＨＬ－２Ａ的偏滤器位形
不同装置上的偏滤器
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
平衡场（成形场）线圈
理想的加热场和平衡场
平衡形态计算
ＨＬ－２Ａ 极向场系统
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
ＣＴ－６Ｂ击穿电场等值线： 在水平场－垂直场平面
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
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
球形托卡马克ＭＡＳＴ
2,托卡马克工程： 托卡马克装置的配置
装置主体
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但要小声点
9源自文库
环向场线圈
安培定律
1
NI0 Bdl
磁场均匀时的积分
B 0 NI 2R
分立线圈产生波纹度 B/B
稳态磁体 脉冲磁体
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）
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
真空系统典型配置
(ln8R 2) 0bd
b
1 0 bd 2
机械泵
涡轮 分子泵
溅射 离子泵
真空室
加料 系统
中性粒子注入原理
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
Vi
Li
dIi dt
Mip
dIp dt
0 RpI p
Lp
dIp dt
Mip
dIi dt
Vi M ipddpItL M iL ip pddpItM LiipRpIp
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
电流轮廓
因果关系构成闭环，是一种自组织性
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
托卡马克的发展 模式－定标律
针对ELM, H模的能量约束时间定标律IPB98(y,2)
圆线圈总磁通
0 N d I s 0 N a rI 2 dd r 2 R 20 0 R 0 r c
o 0 N s ( R 0 IR 0 2 a 2 ) 0 N 0 f I
圆线圈自感
LNI0N2R0f
形状因子
Ｄ形线圈（纯张力线圈）
纯张力线圈方程
ky (1 y)3/2 y