托卡马克装置原理

L pl
dI p dt
RpI p
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
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
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
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
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）
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
JET
Abinhdon 3.0
DIII D
GA
1.67
T-10
Kurchatov 1.5
Tore Supra Cadarache 2.37
ASDEX-U Garching 1.65
FTU
Frascati 0.93
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
极向 环向 束
３种孔栏和偏滤器
ＨＬ－２Ａ的偏滤器位形 18
不同装置上的偏滤器
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
分支线(separatrix)
20
加料方法
吹气(gas puffing) 弹丸注入(pellet injection) 超声分子束
球形托卡马克ＭＡＳＴ
7
2,托卡马克工程： 托卡马克装置的配置
装置主体
8
环向场线圈
安培定律
NI

1
0

B dl
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

0 NI ds 2R
0 NI 2
a
2
rdr
0
0 R0
d r cos
圆线圈受力
10
欧姆变压器
初级磁通变化产Байду номын сангаас电动势
E d L dI dt N dt
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
11
铁芯变压器
初级和次 级方程
Vi

Li
dIi dt
th,98y2

0.0562I
B n P 0.93 0.15 0.41 0.69
p t 19 L
R1.97
0.58
M 0.78 0.19
a
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
TFTR Princeton 2.4
25 MW 45-50 %
NBI +
80-140 keV 40 MW 35-45 %
NBI -
350 keV
5 MW
37 %
23
中性粒子注入原理
24
例：Zeff=1.5, qaq0=1.5, A=R/a=3, Tmax=0.87Bt4/5
Bt=6 tesla, Tmax=3.6keV
加热方式 频率（能量）
功率
效率
ECRF
28-170 GHz 2.8 MW 30-40 %
ICRF
25-120 MHz 22 MW 50-60 %
LHRF
1.3-8 GHz
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
4
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)
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）
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
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
e
1.65 10 9 ln / Te3/ 2 (ohm m)
0 NI (R0

R02 a 2 ) 0 NIR0 f
圆线圈自感
L

N I

0 N 2 R0
f
形状因子
9
Ｄ形线圈（纯张力线圈）
纯张力线圈方程
ky (1 y)3/ 2 y
解
y ln xdx C
k 2 ln 2 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
M ip
dI p dt
0
RpI p
Lp
dI p dt
M ip
dIi dt
Vi
M ip
dI p dt

Li Lp M ip
dI p dt
Li M ip
RpI p
Li r 2 N 2 M ip Li / N Lp Li / N 2 Lpl
UL
Vi N

托卡马克装置原理
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
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
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
场
渗透时 间常数
环向场 极向场
(ln 8R 2) 0bd
b

1 0bd 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
诊断传感器：诊断
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孔栏（limiter)和偏滤器(diverter)
TCV
Lausanne 0.88 0.24 1.4 0.17
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