核聚变方式及装置、原理介绍

13SP02340600
《核工程概论及实践》
课程设计
核聚变装置原理及结构梳理
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摘要
核聚变作为正在研究中的新能源，除了托卡马克装置以外还有包括仿星器、磁镜、反向箍缩和球马克在内的其它磁性约束装置；此外还有激光点火的惯性约束方案。

本文主要介绍以上方案的原理和装置结构，由于接触时间有限，不对相关技术进行评价。

关键词：核聚变；托卡马克；仿星器；磁镜；反向箍缩；惯性约束
目录
摘要 (I)
第一章托卡马克装置结构及原理 (1)
1.1 约束的含义 (1)
1.2 托卡马克中磁约束的基本原理 (1)
1.3托卡马克系统的结构 (2)
1.4 本章小结 (4)
第二章其他磁性约束方式 (5)
2.1 仿星器 (5)
2.2 磁镜 (5)
2.3 反向箍缩 (6)
2.4 本章小结 (6)
第三章惯性约束方式原理 (7)
3.1 惯性约束的原理和实现 (7)
3.1.1 惯性约束的原理 (7)
3.1.2 实现手段 (7)
3.2 惯性约束聚变堆方案 (8)
3.3 本章小结 (8)
参考文献 (9)
第一章托卡马克装置结构及原理
托卡马克装置作为上世纪六、七十年代以来一直占据核聚变研究中心的聚变装置，目前在所有方案中取得的成果最为突出，如等离子体温度最高，（脉冲）功率最大，最先实现全超导等等，当然这得益于许多科学家的奉献和更多资金的投入。

总的来说，尽管所有方案离商用发电都很遥远，但托卡马克是目前来看最有前途的聚变装置。

1.1 约束的含义
核聚变必须使聚变材料的温度、密度和这种高温高压状态维持的时间（约束时间）的乘积满足劳森判据才能实现。

由于核聚变反应温度超高，即使最容易的氚-氘反应也要求反应温度大于5000万度才能大量进行；此时的核材料呈现为物质第四态——等离子态。

图1-1 日冕中的等离子体
等离子体是宇宙中很常见的物质形态，如太阳就是有等离子态的物质组成的，只不过如图1-1中日冕中等离子体温度为几千度，而聚变堆中由于体积限制，要求温度达到上亿度。

为了维持这类极高温的等离子体不消散掉，就需要各种各样非接触式的方法。

首先想到的方法就是利用电磁场来约束带电的等离子体，而第二种方法则利用激光推动核材料聚集。

1.2 托卡马克中磁约束的基本原理
图1-2是ITER项目公布的托卡马克设计图，可以看到反应腔内等离子体截
面呈“D”形，这是后期等离子体位形仿真设计和实验的结果，但这里不做介绍了。

图1-2 托卡马克装置
托卡马克装置拥有一套环形线圈，内部通过很大的电流用来提供强大的环向磁场；此外内部等离子体环向（定向）高速运动产生高达几百万安培的环向电流提供一个极向的磁场。

这样这两个磁场叠加起来成为一个螺旋形的磁场，其磁场强度高达T级别，可以将等离子体约束在直接十几米的的反应腔里。

带电粒子在强磁场中运动会围绕运动中心线高速的旋转，由于电子的比荷远比原子核高，所以磁场中的等离子体的运动可看做原子核环向运动（径向半径0.017cm），电子围绕环中心线螺旋运动（径向半径1.7cm）。

这样以来，就可以利用磁场约束超高温等离子体了。

但实验过程中由于线圈电流非常大，能量供应、散热等都是非常大的问题，因此后来又出现了超导托卡马克、全超导托卡马克，利用超导现象来维持线圈中的强大电流。

1.3托卡马克系统的结构
如图1-3，托卡马克装置发电的基本原理就是在等离子体周围设置氚增殖层，增殖层主要由锂元素（Li-6）组成，在增殖层还设置了传热系统将等离子体辐射热量以及增殖层核反应热量取出带到外部供发电使用。

图1-3 托卡马克聚变-发电装置
托卡马克的优点在于结构简单，只有一套线圈系统，且可以设置为超导线圈，环结构使其不需要考虑等离子体终端散失的问题。

正是因为这些优点，世界上有大大小小两百多个托卡马克装置。

但是托卡马克的缺点也很突出，由于其需要维持强大的环向电流，而等离子体的波动造成这种高能状态很难维持，很容易发生大破裂事故。

这里只介绍用以缓解这种破缺的装置——偏滤器。

图1-3 偏滤器
图1-3为ITER中偏滤器设计图，其内表面有耐高温的涂层，其安装位置正好是等离子体“泄露”的方向。

偏滤器一方面用来防止大破裂的发生，另一方面用于将反应堆中产生的氦灰等杂志排出反应腔。

在各种装置的共同维持下，目前托卡马克已经可以维持10MW级别的等离子体传达半小时级别时长；但这样的时间里推广使用还很遥远。

1.4 本章小结
托卡马克装置单线圈贡献磁场、环形结构的特点使其建造相对简单，但是正是由于这种简单使其难以维持稳态，本章主要介绍了托卡马克磁约束原理和装置结构。

目前先进的托卡马克已经采用非对称的位形结构，但这方面本章在这方面没做深入。

第二章其他磁性约束方式
2.1 仿星器
仿星器与托卡马克最大的差异就是仿星器有两套线圈，等离子体所处空间的极向磁场和径向磁场都是由外部线圈提供的，这种设计使得仿星器内部没有托卡马克一般的强大电流存在。

仿星器通过磁场的扭曲来维持约束下的等离子体不向外消散。

早期的仿星器呈现“8”字结构，通过自身结构的扭曲实现磁场扭曲；随着计算科学的进步，复杂位形仿真计算成为可能。

如图2-1，仿星器位形极为复杂，制造工艺要求非常高；也正是因为这个原因，早期的复杂位形仿星器实验都非常不成功，以至于很多科学家开始怀疑仿星器的可行性。

图2-1 仿星器位形
但随着制造工艺进步，一批中型仿星器实验获得了与同规模托卡马克装置同等参数的等离子体。

而且由于设计时就考虑了避免等离子体大破裂，仿星器可以长时间的维持高温等离子体。

德国的W-7X最近就取得了5000万度、30分钟维持时间的好成绩。

2.2 磁镜
磁镜属于直线型磁约束聚变装置。

其利用电磁感应现象使等离子体被约束在两个巨大的电磁环之间来回运动。

这种方式拥有非常简单的结构和位形，因此等离子体早期研究时，这种方法收到了很大的重视。

但是由于等离子体的量子效应，等离子体会从线圈两端溢出造成等离子体消散，导致难以约束等离子体足够长的时间来加热等离子体达到核反应温度。

图2--2 磁镜原理示意图
为了减少等离子体消散，技术人员又设计了串联的磁镜系统，用多级磁镜来减少越过边界的等离子体，但这种方法能减少的耗散并不理想。

另一种想法是将磁镜串联起来成为环形结构，但这种方法由于性能难以达到高温等离子体的要求，基本上所有研究都已经停止了。

2.3 反向箍缩
反向箍缩，也叫反场箍缩，与托卡马克一样都属于环形磁约束装置，但其q 值小于1，这就决定了其不可能作为聚变堆方案，事实上欧盟也早就把它排除在聚变堆备选方案之外。

但其可以低成本的维持等离子体，可用于研究尚未深入探索的等离子体，所以其发展一直受到重视。

其原理与托卡马克类似，我们知道同向电流相互吸引，异向电流互相排斥；方向箍缩就利用这个原理，环形腔内电流方向一致，由于吸引等离子体；外部有螺旋状的反向电流，用于排斥等离子体。

同时，方向箍缩也借鉴仿星器非对称先进位形的理念来防止大破裂的产生，但与托卡马克一样都难以达到仿星器的水平。

2.4 本章小结
本章介绍了托卡马克以外的几种磁约束核聚变方案，但介绍仅就位形、结构和功能来介绍，关于其具体的等离子体加热技术等都没有做深入的探讨。

值得说明的是除了以上装置外，球马克、仿星马克等都是非常有前途实现可持聚变的磁约束装置。

第三章惯性约束方式原理
3.1 惯性约束的原理和实现
3.1.1 惯性约束的原理
惯性约束的基本理念就是凭借等离子体的密度提高来补充约束时间的的不足。

其原理就是将核反应材料短时间的压缩为高密度、高温度的状态来引发核聚变反应。

其温度、压力和密度与磁约束的差异见表3-1。

表3-1 磁约束与惯性约束
由表可见惯性约束的压缩难度要比磁约束难度高很多，但由于密度的提高，约束时间就可以下降到很短的时间里，即这种方式的点火可以通过脉冲形式达到。

3.1.2 实现手段
激光点火
激光点火是目前比较现实的点火方案，比较有名的是美国的国家点火装置；这种方法通过将多到高功率激光照射到半径几毫米的燃料小球上，使小球周围产生均匀的反推力压缩核心的DT气体，产生核反应。

表3-1 激光点火直接驱动法
而激光点火也分为直接驱动和间接驱动。

直接驱动是指直接将激光束照射到靶丸上。

这种方法效率高、运行可靠；但要求激光束均匀的照射到靶丸表面。

一旦照射不均匀很容易造成靶壳破坏，燃料利用不充分。

如图3-1，间接点火通过将靶丸悬浮在一个小腔里，激光从小腔照在腔壁上。

腔壁上物质吸收激光能量后，产生软X射线，X射线会禁锢在腔内，这样小球就可以被均匀压缩。

但这种方法产生的等离子体参数不稳定，效率也比较低。

3.2 惯性约束聚变堆方案
惯性约束聚变堆为保证稳定出力，需要在内部进行每秒几Hz的小型核爆炸来产生持续不断的热量。

通过频繁的爆炸作为锅炉热源，这一过程需要能够连续不断的进行激光点火，而目前的技术只能达到间隔五小时左右再次点火，并且配套的锅炉设施也没有相关研究。

正是由于惯性约束类似“核爆炸”的这种属性导致很多大国都在这方面投入大量资金，借此在研究室内模拟核武器爆炸。

3.3 本章小结
惯性约束由于“核爆炸”属性，相关公开报告只是原理介绍；事实上，惯性约束作为聚变反应堆的备选方案可能性也要远低于托卡马克和仿星器，尤其是其在能量转换和强脉冲波动的工况下长期工作的稳定性受到怀疑。

参考文献
[1] 李银安. 受控核聚变[M]. 长沙：湖南教育出版社，1995：.
[2] 石秉仁. 磁约束聚变原理与实践[M]. 北京：原子能出版社，1999：.
[3] Atzeni,S.惯性聚变物理[M]. 沈百飞，译. 北京：科学出版社，2008：.。