核聚变与托卡马克装置简介课件
托卡马克的基本慨念
螺旋磁场的不均匀性 大环外侧磁场最小；大环内侧最大。 造成的结果：因为有磁场梯度存在，所以带电粒子通旋中心的运动是 由沿磁力线的导引运动和磁漂移两部分合成。 两类粒子 “捕获粒子”或“约束粒子”： 托卡马克等离子体外侧磁场 比内侧磁场低。 平行于磁场的低速 度粒子没有足够的能量进入强场 （内侧）区，并且在外侧被捕获，
描述这类平衡条件下对给定的外部磁场，等离子体内部压强剖面和极向磁通面的结构。 是托卡马克物理研究的出发点。 （极向磁通面将在下面简要介绍）
―――――――――――――――――――――――――
等离子体磁通函数，电流通量函数（一般了解） 为 了 研 究 托 卡 马克 中 与 磁 场 密 切相 关 的 平 衡 问 题， 引 入 磁 通 函 数
（仿星器螺旋绕组示意图 1）
（仿星器螺旋绕组示意图 2）
螺旋磁场约束优点分析： 在螺旋场中，相对于磁轴而言，带电粒子的位置不断变化，其对应的漂 移方向也改变（在大环内侧，漂移运动指向磁轴，在大环外侧，漂移运动偏 离磁轴） ，平均而言，带电粒子在磁轴附近运动，形成良好的约束。
（同心圆环磁场）
（螺旋环形磁场）
3. 等离子体在环形螺旋磁场中的约束
环形螺旋磁场的必要性 假设没有等离子体电流，仅存在外部纵向磁场时，磁场由为同心圆的 磁力线组成，在该种磁场中，带电粒子受两种向外的力： （1） 离心力――运动的带电粒子沿磁力线运动，受向外的离心力。 （2） 磁梯度力――环内侧的磁场强度大于外部，带电粒子受向外 的磁驱动力。
4. 托卡马克等离子体平衡、平衡(Grad Shafranvo)方程
导言： （a）托卡马克中等离子体的质量非常小，一般仅 10-4 克/m3，不考虑重力因素： （b）载流的环形等离子体柱有向外扩张的趋势，且受力大（10 吨/m3） ，如不设
我国核聚变领域装置介绍
我国核聚变领域装置介绍核聚变是一种将轻元素聚变成重元素的过程，释放出巨大能量的物理现象。
在我国，核聚变领域装置扮演着重要的角色，为科学研究和能源开发提供了有力支撑。
我国核聚变领域装置主要包括实验装置和工程装置两类。
实验装置用于研究核聚变的基本原理和相关技术，而工程装置则是为了实现可控核聚变反应，提供大规模清洁能源。
目前我国主要的核聚变实验装置是中国国家核聚变能源科学研究中心（中国核聚变研究所）建设的东方超环（EAST）装置。
EAST是我国第一台超导托卡马克装置，采用了超导磁体和等离子体加热系统，具有较高的等离子体温度和持续时间。
通过EAST装置，科研人员可以模拟和研究实际核聚变反应的条件，为工程装置的建设提供宝贵的经验和数据。
而我国核聚变工程装置的代表是中国国家核聚变能源工程研究计划（ITER计划）参与建设的国际热核聚变实验堆（ITER）。
ITER是目前全球最大的核聚变工程装置，由欧洲、美国、俄罗斯、日本、韩国、印度和中国等国家联合参与建设。
该装置采用了托卡马克型磁约束装置，利用超强磁场将等离子体束缚在中心区域，通过加热和压缩等手段实现核聚变反应。
中国作为ITER计划的参与方，承担着关键的任务和责任。
我国核聚变领域的研究人员和工程师们在ITER计划中积极参与核聚变技术的研发与实践，为最终实现可控核聚变提供了重要的支持和贡献。
除了EAST和ITER，我国还在积极推进其他核聚变实验装置的建设和研究。
例如，我国正在建设的中国环向聚变实验装置（CFETR）将是我国第一个具有商业级能力的核聚变实验装置，预计在2035年前后投入运行。
CFETR将进一步提升我国在核聚变领域的研究和实验能力，为实现可控核聚变提供更加坚实的基础。
核聚变技术作为清洁能源的潜在来源，具有巨大的发展潜力。
我国在核聚变领域的装置研究和工程建设方面取得了令人瞩目的成就，为推动清洁能源的发展和应对气候变化做出了积极贡献。
随着我国在核聚变领域的实验和工程装置不断发展和完善，相信将来核聚变技术能够为人类提供更加可靠、高效的能源解决方案。
[新版本]《核裂变与核聚变》PPT教学课件-人教版物理
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放能多少
聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3~4倍
核废料处理 难度
聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多
核裂变时可能分裂为两部分、三部分或四部分,但产生两部分的概率最大,A、
D错误,C正确;铀核裂变为中等质量的原子核时一定释放能量,B正确。
新知讲解
二、反应堆与核电站
核反应堆：人工控制链式反应的装置
吸收中子、控制反应速率
(浓缩铀) 核燃料
慢中子 (石墨、轻水、重水)
新知讲解
核能发电的基本原理
新知讲解
BC 1、(多选)关于裂变反应,下列说法正确的是( )
A.用中子轰击铀核发生裂变,其一定分裂为质量差不多的两部分
B.铀核裂变为中等质量的原子核一定释放能量
C.铀核发生裂变时可能分裂成两部分、三部分或四部分
D.所有重核用中子轰击均能发生裂变反应
解析：用中子轰击
235 92
U
和
239 94
Pu
等少数重核元素才能发生裂变反应,铀
方法: ①用加速器加速原子核 ②原子核加热到很高的温度108～109K
新知讲解
大阳是一个巨大的热 核反应堆
弹体
小 普通炸药 型
铀 235
原 子
外壳
弹
氘、氚、重
氢化钾等
引爆装置
氢弹结构示意图
释放核能
新知讲解
1、受控核聚 变
热核反应和裂变反应相比较，具有许多优越性
1）轻核聚变产能效率高
2）地球上聚变燃料的储量丰富
明实确际： 上“是中对流“”谁，主江沉解水浮中析”间的。巧：三妙句回铀大答意。棒是是：“还核记得燃吗？料当,年裂我们变一时同到可江心放游泳出，尽能管风量浪,巨故大，A连正行船确也很;镉困难棒，但吸我们收这中些人子以同的汹涌能的急力流拼很搏强为快,乐作。”用这里是以设调问句结尾，
托卡马克装置
ASIPP
HT-7
等离子体磁通函数
对托卡马克平衡的等离子体而言，其基本的条 件是在等离子体区域内，所有位置上的等离子 体受力均为0，这个就要求磁场力与等离子体 压力平衡。
(1)沿着磁力线无等离子体压力梯度。 (2)在同一磁面上等离子体压力均相同。 (3)等离子体电流密度线也位于同一磁面上。
ASIPP
ASIPP
HT-7
托卡马克装置的磁场形态
螺距大，旋转变换角很小。在角向 值p 不大时的情况下，磁面 与子午面的交线，是以小环中心为圆心，r为半径的一系列同 心圆。而当 值 p 相当大时，磁面的形状将发生显著的改变，它 们的中心会向外移动，移动值随着圆的小半径的减少而增加等 离子体柱的磁轴相对于导电壳中心的位移最大。
ASIPP
HT-7
等离子体(Grad Shafranvo)平衡方程
对于托卡马克平衡而言，它有两个基本 的出发点：
(1)磁压和内部的等离子体压力是平衡的。
(2)由外部线圈的电流决定了等离子体的 位置、形状和电流大小。
ASIPP
HT-7
等离子体在环形螺旋磁场中的平衡
由于托卡马克中等离子体的质量是非常小的，一般仅10-4克 /m3，依电动力学的一般规律，等离子体向受有向外扩张的力， 其受力是很大的，一般为10吨/m3，在托卡马克装置中依靠角 向磁场和纵向磁场的磁压力加以平衡，这些磁场产生无限的 嵌套的磁面，其磁力线则沿螺旋线围绕着此环：等离子体的 声速一般为105～106m/s，因此在沿磁力线方向很快地便可达 到压力平衡。各个不同的磁面上的磁力线是不同的，就是由 于此剪切，才使等离子体能很好地平衡。磁面上扭曲的磁力 线一般用安全因子q描述，此剪切是由径向的q值确定。具有 回转变换的环形螺旋磁场，对于单个带电离子来说，是个很 好的约束。但是，这种磁场系统对于保持等离子体柱的宏观 平衡态还是不够的。这是因为载流的环形等离子体柱有向外 扩张的趋势，如不设法加以平衡，等离子体就会碰到器壁。
托卡马克核聚变原理
托卡马克核聚变原理核聚变，这听起来就像是科幻电影里才有的超级能量来源，对吧？其实啊，托卡马克装置就是我们探索核聚变奥秘的一个超级厉害的工具呢。
我有个朋友，叫小李，他对核聚变特别着迷。
有一次我们聊天，他眼睛放光地跟我说：“你知道吗？核聚变要是能完全被我们掌握，那简直就像打开了一个无尽能源的宝库啊。
”我当时就被他的热情感染了，开始和他一起研究托卡马克核聚变。
那托卡马克到底是怎么实现核聚变的呢？咱们得先从原子说起。
原子就像一个个小小的太阳系，中间有个原子核，周围有电子在绕着转。
原子核呢，又由质子和中子组成。
核聚变简单来讲，就是把两个轻的原子核捏到一块儿，让它们变成一个新的、更重的原子核。
这过程中啊，会释放出巨大的能量。
在托卡马克装置里，这就像是一场精心编排的原子舞会。
托卡马克是个环形的大容器，就像一个超级大的甜甜圈。
这个甜甜圈可不得了，它里面装着一种叫做等离子体的东西。
等离子体啊，你可以把它想象成是原子们被扒掉了电子之后的状态，就像一群光溜溜的小粒子在里面疯狂地跑来跑去。
那怎么让这些原子核发生核聚变呢？这就需要高温和高压了。
高温得有多高呢？那可是上亿摄氏度啊！这温度高得简直超乎想象。
你想想看，地球上什么东西能有这么高的温度？就像太阳内部一样热，简直就是一个小火球在里面燃烧。
这么高的温度下，原子核们才会有足够的能量，克服它们之间相互排斥的力，就像两个互相看不顺眼的小冤家，本来离得远远的，但是在这种高温下，也不得不靠近了。
然后就是高压了。
托卡马克装置通过强大的磁场来约束等离子体，就像用一个无形的笼子把这些乱跑的粒子关起来。
这磁场的力量就像一双双无形的大手，把等离子体紧紧地捏在一起，给里面的原子核创造出一个高压的环境。
这就好比是把一群调皮的小动物都赶到一个小角落里，让它们挤在一起。
我还有个朋友小王，他刚开始接触托卡马克核聚变的时候，一脸疑惑地问我：“这么高的温度，什么容器能装得下啊？普通的材料不早就被融化了吗？”这就是托卡马克装置的神奇之处了。
核聚变与等离子体物理第二章资料
不同形式的孔栏
为适应某些实验的要求，调节等离子体电位和电位 分布，有时须安装偏压孔栏或称偏压电极。它应与真 空室绝缘，并能通过大电流（低电阻），最好能调节 与等离子体的距离。
一种简单的排除杂质或聚 变反应产生的α粒子的结构称 为 抽 气 孔 栏 （ pumping limiter）。这个蘑菇形的孔栏 的边缘处于等离子体的删削 层内。一些从外界进入等离 子体的杂质在进入主等离子 体前可能被孔栏散射而进入 抽气管道而被排除。这一孔 栏应用低Z材料制成，避免溅 射造成高Z杂质污染。
托卡马克的环向场线圈和空芯变压器（EAST）
将电动势写为环电压，对时间积分得到：
Vdt t 0
0
t
它的量纲也可以写为Vs。 一个变压器最大的磁通变化也称为伏秒数，也就是 对一定环电压，等离子体可以维持的时间。对一定尺 寸、温度的等离子体，其环电压在一定范围内，所以， 为达到一定的放电时间，变压器须具备一定的伏秒数。 这是一个欧姆变压器最重要的指标。
伏秒数ΔΦ决定于变压器线圈（螺线管和外线圈）的 几何尺寸或者说其电感，以及放电电流。为了增加这 个伏秒数，一般使变压器先向反向磁化到最大电流， 再使电流反向。此时使气体击穿，产生等离子体和感 应等离体电流。这样，在最大电流为一定值条件下， 使伏秒数加倍。 在一次放电中，首先启动环向场，在它达到或接近 平顶时，启动变压器反向磁化，但不使气体击穿。反 向磁化达最大电流后，在正向磁化，使气体击穿，产 生等离子体。
托卡马克装置各部分分解图
一、环向磁体
托卡马克的磁体系统主要由环向场和极向场两部分 组成。 环向场磁体的电流在极向，产生环向磁场约束等离 子体。 极向场磁体的电流在环向，构成欧姆加热变压器以 产生和加热等离子体，并保持等离子体的平衡。 两组磁体在空间是正交关系。在有些装置上还安装 了一些产生局部磁场的磁体，可以称为多极场，
托卡马克装置原理 ppt课件
e
1.65 10 9 ln / Te3/ 2 (ohm m)
例：Zeff=1.5, qaq0=1.5, A=R/a=3, Tmax=0.87Bt4/5
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
ppt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
ppt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
ppt课件
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）
ppt课件
21
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
分子束的电离和扩散
ppt课件
22
辅助加热和非感应电流驱动
欧姆加热的缺点：
Spitzer电阻率
0.51
me ne e 2
等离子体参数
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
ppt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
ppt课件
TEXTOR94 Julich 1.75
1.1 4.2 2.5 0.8 5.0 2.2 1.25 3.5 5.0 0.67 2.1 1.6 0.37 4.5 0.68 0.8 4.5 2.0 0.5 3.9 1.4 0.3 8.0 1.3 0.46 2.8 0.8
托卡马克装置资料
ASIPP
HT-7
等离子体在环形螺旋磁场中的约束
应该注意，如果有了磁场误差或其它的非轴对称磁场， 则磁力线在多次绕环以后，它们常常和器壁相交，粒 子也就约束不住。在托卡马克装置中一个无法避免的 缺陷是装置只能使用有限个纵场线圈，引起纵向磁场 的起伏，这就会沿磁力线产生非常浅的局部磁镜，它 们能够捕获一小部分等离子体粒子：这种粒子既不围 绕环的小截面画圆圈，也不相对于赤道平面对称地被 捕获，它们将漂移出系统：除了这些磁捕获效应以外， 一个电场本身或者和磁场一起也能引起粒子捕获，使 粒子回旋中心轨道发生很大的变化：为了减小磁场误 差，一般需要细致的进行纵场线圈的设计。
II、世界上现有g束线站的简 介 高能g光束线
光子束性能 装置 产生方法 ē Brem. coh.Brem. ē Brem. coh.Brem. ē Brem. coh.Brem. Compton Compton Compton Compton Compton 能量(MeV) 140-800 -400 500-2400 -1.2 300-2300 -1800 -1600 180-320 280-470 550-1470 1500-2400 200-870 强度 (10 s MeV-1)
50 10 5 50 2 1 33 1 1 10
Spring-8 Result
Q+
Q+
g+ C(n/p) K- K+ (n/ p) Cuts: no fK+Kno recoil p (gn only) Missing mass for n
M = 1.540.01 GeV G < 25 MeV Gaussian significance 4.6s
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托卡马克装置原理
精品课件
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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
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
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）
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
托卡马克装置的核反应物理过程
托卡马克装置的核反应物理过程托卡马克装置是一种磁约束聚变实验装置，用于研究核融合反应，是人类追求可控核融合能源的一大希望。
它的核反应物理过程主要包括等离子体加热、限制和维持等几个关键环节。
首先，等离子体加热是托卡马克装置的第一步。
为了实现核融合反应，需要将氢同位素（如氘、氚）加热到极高的温度，使其达到等离子体的状态。
常见的加热方法有射频加热和中性束加热。
射频加热通过射频电场的作用，使等离子体中的电荷粒子加速并提高动能，从而增加等离子体的温度。
中性束加热则是使用加速器将中性粒子速度加快，通过与等离子体碰撞而传递能量，从而使等离子体加热。
接下来是等离子体限制的过程。
等离子体是一种高温的带电粒子云，其自然趋势是扩散。
为了保持等离子体的稳定，必须采取适当的限制措施。
最常用的方法是利用磁场约束等离子体。
托卡马克装置采用了托卡马克线圈产生强大的磁场，借助洛伦兹力使等离子体沿着磁场线运动，并受到磁场约束。
这样可以防止等离子体与容器壁面接触，从而保持等离子体的稳定性。
在等离子体得到限制后，还需要维持等离子体的稳定状态。
等离子体在高温下容易发生不稳定的涡旋运动现象，称为等离子体微波。
为了克服等离子体不稳定性带来的问题，科学家采取了多种措施，如外加磁场和自行磁场。
外加磁场可以通过托卡马克线圈调整，使得等离子体保持一定的基态，减小不稳定性现象。
自行磁场则是在等离子体中产生旋转磁场，使等离子体呈现自行旋转的状态，从而稳定等离子体运动。
总结起来，托卡马克装置的核反应物理过程主要包括等离子体加热、限制和维持等几个关键环节。
等离子体加热是将氢同位素加热到极高温度，使其达到等离子体状态。
等离子体限制则是通过磁场约束使等离子体保持稳定。
维持等离子体稳定性则需要采取外加磁场和自行磁场的手段。
这些核反应物理过程共同作用，为实现核融合反应提供了重要的物理基础。
2019高中物理第三章第6节核聚变课件教科选修3_5
核聚变
一、热核反应 1．核聚变 _轻__原__子__核__聚合成较重原子核的反应。 2．核聚变较裂变的优越性 (1)相同质量的燃料下，放出的能量 更多 。 (2)不产生 放射性 废料。 (3)燃料储量非常丰富。
3．热核反应 因为核聚变要在高达 108 K 的温度下才能发生，故核聚变 反应也称热核反应。 4．热核反应的应用 目前主要用在核武器上，如 氢弹 。 二、可控核聚变反应 1．托卡马克 是一种环形 磁约束受控热核反应装置，也叫环流器。 2．超导托卡马克 把超导技术应用在产生托卡马克强磁场的 线圈 上。
重核裂变与轻核聚变的对比
比较项目
重核裂变
轻核聚变
放能原理
把重核分裂成两个或 多个中等质量的核，并 释放出核能
两个轻核结合成质量较大 的核，并释放出核能
放能多少
聚变反应平均每个核子释放的核能比裂变反应要 大得多
核废料的 处理难度
比较困难
比较容易
原料的蕴藏量 储量较少，特别是29325U 主要原料氘储量非常丰富
3．聚变比裂变反应放出更多能量的原因
(1)平均每个核子释放能量较多，是裂变反应的 2～3 倍。如
一个氚核和一个氘核结合成一个氦核时放出能量 17.6 MeV，平
均每个核子放出能量约 3.5 MeV；而铀 235 裂变时，平均每个
核子放出能量为 1 MeV。
(2)同样质量的情况下，轻核的核子个数多，如氘和氚聚变
变反应中释放的核能约为
()
A．3.7 MeV
B．3.3 MeV
C．2.7 MeV
D．0.93 MeV
[解析] 氘核聚变反应的质量亏损为 Δm＝2×2.013 6 u－ (3.015 0 u＋1.008 7 u)＝0.003 5 u，释放的核能为 ΔE＝Δmc2＝ 0.003 5×931 MeV/c2×c2≈3.3 MeV，选项 B 正确。
托卡马克装置原理 PPT
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
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
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
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
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
核聚变与托卡马克装置简介
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)
(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:
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
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 )
HT-7U超导托卡马克装置主机关键部件设计及技术要求.ppt
六 、 HT-7U装置冷屏系统 (续前页)
2. 主要性能指标
• 内外冷屏的工作温度为80K； • 冷屏系统沿环向多处均布绝缘隔断，极向也设有绝缘隔
断，以防止涡流的产生和改善极向场的穿透； • 冷屏系统自支撑。
六 、 HT-7U装置冷屏系统 (续前页)
3. 设计方案
• 在超导磁体与真空室之间设置有内冷屏，在超导磁体与外真 空杜瓦之间设置有外冷屏。冷屏系统由冷氦气或液氮冷却。
• 维持稳态的等离子体平衡位形，包括圆截面位形、双 零及单零位形；拉长度最大约可达2.0，三角形变约可 达0.8，以满足探索先进运行模式的需要；
• 最大工作电流为15kA，最高场强≤4.5T，最大磁场变 化率<7T/s;
• 连续运行时间大于1000s； • 超导极向场系统应对等离子体的成形和平衡提供灵活
• 为保证超导磁体得以在4.5K的温度下稳态运行，必须尽可 能地减少由内，外真空室及各种诊断、测量用的通道对磁 体的热幅射，以降低4.5K温区的热负荷。设置防热辐射冷 屏是目前低温超导磁体较为有效的方法之一。
• HT-7U装置在超导磁体与真空室和外真空杜瓦之间设置了 80K的防热辐射冷屏，从而有效地减少了4.5K温区的热负 荷。
的调节方式； • 工作温度为3.8-4.5K。
三、 HT-7U超导极向场磁体系统 (续前页)
3. 设计方案
• 超导极向场线圈采用CICC导体的设计方案，超临界4.5K氦迫 流冷却。超导极向场的CICC导体总计需11.5km。
• 极向场线圈绕制完毕进行环氧树脂的真空压力浇铸固化，确 保匝间耐压不小于500V，对地耐压不小于5000V。
HT-7U超导托卡马克装置主机 关键部件设计及技术要求
主要内容
托卡马克
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受控热核聚变在常规托卡马克装置上已经实现。但常规托卡马克装置体积庞大、效率低，突破难度大。上世 纪末，科学家们把新兴的超导技术用于托卡马克装置，使基础理论研究和系统运行参数得到很大提高。据科学家 估计，可控热核聚变的演示性的聚变堆将于2025年实现，商用聚变堆将于2040年建成。商用堆建成之前，中国科 学家还设计把超导托卡马克装置作为中子源，用于环境保护、科学研究及其它途径。这一设想获得国内外专家较 高评价。
1954年，第一个托卡马克装置在原苏联库尔恰托夫原子能研究所建成。当人们提出这种磁约束的概念后，磁 约束核聚变研究在一些方面的进展顺利，氢弹又迅速试验成功，这曾使不少国家的核科学家一度对受控核聚变抱 有过分乐观的态度。但人们很快发现，约束等离子体的磁场，虽然不怕高温，却很不稳定。另外，等离子体在加 热过程中能量也不断损失。
托卡马克
可控核聚变装置
目录
01 装置的主要部件和子 系统
03 结构原理
02 核聚变简介 04 各国概况
目录
05 历史发展
ห้องสมุดไป่ตู้07
钢铁侠中的“方舟反 应堆”
06 现状及前景
托卡马克，是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器。它的名字Tokamak来源于环形、真空室、磁、 线圈。最初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年代发明的。托卡马克的中央 是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离 子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。
截至2023年，托卡马克装置是实现可控核聚变占据主流的方式。
装置的主要部件和子系统
托卡马克(Tokamak)是一环形装置，通过约束电磁波驱动，创造氘、氚实现聚变的环境和超高温，并实现人 类对聚变反应的控制。它的名字Tokamak来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnet)、线圈 (kotushka)。最初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年代发明的。
托卡马克磁约束装置
第三章 磁 场
托卡马克磁约束装置
一类控制热核聚变的装置。用特殊形态的磁场把氘、 一类控制热核聚变的装置。用特殊形态的磁场把氘、 控制热核聚变的装置 氚等轻原子核和自由电子组成的、 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， 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， 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 是等离子体物理学的一项重大应用。 径，是等离子体物理学的一项重大应用。
3、下列关系磁场的说法中，正确的是（ A ） A、磁场和电场一样，是客观存在的特殊物 质 B、磁场是为了解释磁极间相互作用而人为 规定的 C、磁极与磁极间是直接发生作用的 D、磁场只有在磁极与磁极、磁极与电流发 生作用时才产生
电流
磁场
电流
二、磁场
S N F2 F1 S N
磁体和电流通过磁 磁体和电流通过磁 场发生相互作用
磁体 电流
产生
磁 场
作用
磁体 电流
二、磁场
5、磁的应用： 磁的应用： （1）利用磁极吸引铁质物体： 利用磁极吸引铁质物体： 门吸 皮包扣 手机扣 磁性螺线刀
（2）利用磁体对通电导线的作用： 利用磁体对通电导线的作用： 喇叭 电话 磁盘 磁带 耳机 磁卡 电动机 电流表 （3）利用磁化现象记录信息： 利用磁化现象记录信息通过电子线路板组成部分产生交变磁场、当用含铁质锅具底 部放置炉面时，锅具即切割交变磁力线而在锅具底部金属部 分产生交变的电流（即涡流），涡流使锅具铁分子高速无规 则运动，分子互相碰撞、摩擦而产生热能使器具本身自行高 速发热，用来加热和烹饪食物。