托卡马克

磁流体不稳定性影响能量约束
• 磁流体不稳定性严重影响等离子体的约束性能，它会引起 等离子体快速的宏观不稳定性，它包括发展速度极快的理 想磁流体不稳定性，以及相对较慢的电阻性不稳定性。 • 磁流体不稳定性又可按其模式发生的位置分为内部模、自 由边界模或表面模。后者属于真空区的扰动模式和固定边 界模式，如外部扭曲模与仅发生在坏约束区的气球模就属 于表面模，而大部分撕裂模和内扭曲模都属于内部模。 • 控制等离子体电流和压强分布可部分控制磁流体不稳定性。 如通过控制边缘安全因子的大小可以控制外部扭曲模的增 长；优化电流分布有利于抑制撕裂模的发展；而控制压强 分布又可以抑制气球模的发展。 • 影响约束的主要磁流体模式是内扭曲模和撕裂模；在非常 高的比压下，可能是气球模和表面扭曲模。
受控核聚变研究的发展
50’s：建立了最初的小 型磁约束装置 60’s：建立了成功的托 卡马克装置 70’s：建立了中型尺寸 的托卡马克 80’s：建立了大型的托 卡马克 90’s：达到了聚变功率 得失相当水平
2006：协议建造国际热 核实验反应堆ITER
ITER的典型参数
尺寸：24 m （高） 30 m（直径） 大半径：6.2 m 小半径：2 m 磁场： 5.3 T 等离子体体积：850 m3 放电持续时间：3000 s 加热功率： 73 MW (I) 聚变功率：500 MW 功率增益Q： 10
密度极限破裂影响能量约束
• 由于辐射功率随密度近似平方增加，在接近密度极限时，大 量功率辐射会使边缘冷却，电流通道收缩，电流分布改变， 引起磁流体不稳定性，导致类似于电流极限的破裂。 • 密度极限破裂可分为电子温度分布收缩、热淬灭及电流淬灭 三个阶段。当密度超过一定值后，边缘电子温度开始冷却， 这一过程逐渐向内部区域发展，芯部电子温度不断降低，导 致热区很快收缩，此发展时间在100ms内。 • 当热区收缩到q=2面附近时，边缘热通道收缩会诱发磁流体 不稳定性，开始进入热淬灭阶段，其热等离子体柱被外区冷 等离子体包围，热区实际处于脱离状态，n=1的外部扭曲模 快速发展，导致冷等离子体与中心热等离子体的混合，促使 芯区电子温度进一步降低，热淬灭时间在10ms以内。最后进 入电流淬灭阶段，电流通道完全收缩，放电终止，其特征时 间为几十毫秒。 • 由于密度极限破裂发展较慢，有时能观测到MARFE等一些先 兆现象，通过增加注入加热功率可抑制密度极限破裂。
我们离受控聚变成功还有多远
可自持的受控核聚变反应堆
使用已有的氘和氚建 立等离子体放电，达 到聚变反应条件 聚变反应生成中子、 能量和氦，氦被排除 用中子与装置内的锂 发生核反应，生成氚， 回收氚 用生成的氚继续与氘 发生聚变反应 能量被吸收，产生蒸 汽发电
内容摘要

等离子体
等离子体的约束方法
• 等离子体是由宏观上 呈电中性的带电粒ห้องสมุดไป่ตู้ 所组成。 自然状态下的等离子 体是自由运动的。
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高温的等离子体必须 要约束较长的时间。
磁场可很好约束高温 等离子体，使其沿磁 力线运动。
磁约束等离子体的聚变装置
托卡马克（Tokamak）
仿星器（Stellarator）
托卡马克装置原理
电流极限破裂影响能量约束
• 当总电流超过磁流体稳定性极限时会产生破裂， 它大都出现在低q大电流放电中，边缘q进入磁流 体扭曲模的不稳定参数区，从而激发扭曲模而导 致放电破裂 • 虽然等离子体总体运行在稳定参数区，但距不稳 定性的边界不远，于是实验条件稍有变动，例如 中性气流突然加大，或杂质流突然增加使边缘很 快冷却，导致实际电流通道的收缩，边缘等效安 全因子降低而进入不稳定区。 • 在较高的边缘安全因子条件下运行，或者对电流 剖面进行控制，可以抑制电流极限破裂。


人类生活对能源的需求 核聚变及受控核聚变原理 等离子体约束的基本问题 等离子体约束的各种模式 等离子体输运与能量约束定标 约束改善与边缘局域模控制 总结和讨论
能量约束时间的定义
• 能量约束时间是描述等离子体最基本的参数 之一，它是衡量能量约束好坏的一个重要指 标，其定义为： E=WP/(Pt-dWp/dt) • 这里WP是等离子体总储能，Pt是等离子体 得到的净的加热功率，它提供给所有通道的 能量损失，包括辐射、热传导和对流。 • 能量约束时间表示能量被约束在等离子体内 部的存在时间，它是可以直接或间接地测量 到的物理量。
聚变反应率随温度急剧增加
• 聚变等离子体持续燃 烧需要有足够的高温、 高密和长时间的约束， 即满足所谓劳逊判据。 • 考虑轫致辐射损失后 的劳逊判据要求nTE 大于31021 m-3 keVs。 • 对于大型托卡马克装 置温度T=10 keV，离 子密度11020 m-3，得 到能量约束时间要达 3s以上。
石油 35%
天然气 20.7%
中国对石油的需求和产量
14 12 10 8 40% 6 4 2 0 1990 Production 2000 Demand 2010 2020 Imports as % of demand (right axis) 2030 20% 0% -20% 100% 80% 60%
内容摘要



人类生活对能源的需求 核聚变及受控核聚变原理 等离子体约束的基本问题 等离子体约束的各种模式 等离子体输运与能量约束定标 约束改善与边缘局域模控制 总结和讨论
核聚变原理
当两个轻原子核结合成一个较重的原子核时，会释放能量。 我们称这种结合为聚变，放出的能量称为聚变能。在人工控制 下的聚变称为受控聚变，释放受控聚变能量的装置，称为聚变 反应堆或聚变堆。
地球上有多少氘
• 氘（D）和氚(T）是 氢的同位素。
• 海水里含有丰富的 氘，自然界中基本 上没有氚。 如果将海水里所有 的氘全部用来发电， 将是取之不尽的能 源。
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海水里含有丰富的氘
• 1升海水相当于340 升汽油的能量。
氚的生成
• 用地球陆 地上的锂 生成氚可 以使用上 千年
• 海水里也 蕴藏丰富 的锂资源
古时，人类多使用太阳能、 风能、水能等自然能源，以 及少量的树木等可再生能源
水能 2.3%
煤 23.5%
生物能11.1%
核能 6.8%
农业社会时，许多像树木一 样的可燃烧物被使用，也有 少量的煤、石油等化石燃料 被使用。 工业文明之后，大量的化石 燃料被使用，而且随着人口 的急剧增加和科学技术的发 展，将会出现了严重能源危 机和污染问题。
托卡马克等离子体的加热
通常用“聚变三乘积和增益Q值”来衡量等离子体的品质参数。 劳逊判据：要达到能量得失相当，要求等离子体密度 n与等离 子体能量约束时间的乘积 n×τE的最小值约为0.6×1020m-3s， 即满足聚变反应物理可行性的最低要求。 若QDT=1，则要求nT 乘积达到 2×1021 m-3s keV
磁场位形影响等离子体约束
• 在磁约束聚变装置中，首要问题是建立能稳定约束高温等 离子体的平衡位形，单个带电粒子不仅能够被长时间地约 束，而且等离子体的能量也不会很快通过输运过程被损失 掉。 • 由于带电粒子沿磁力线运动，决定了磁场对带电粒子具有 约束能力，简单的均匀磁场并不能长时间约束带电粒子。 • 通过建立由外加磁场和等离子体电流产生的磁场的组合磁 场，大部分带电粒子可以长时间沿磁力线运动而不会明显 地损失掉，这就是所谓的磁场位形。 • 一种好的磁场位形不但要约束住带电燃料粒子，而且要能 约束住核聚变反应产生的高温等离子体，并使其在这种磁 场位形下保持宏观平衡，也就是要使等离子体的压强P， 电流密度j和约束磁场B之间保持一定的平衡关系。 • 高拉长比和三角度位形是获得先进等离子体的优化位形。
电流快上升破裂影响能量约束
• 电流快速上升容易产生电流的趋肤分 布，激发了一些较高的极向模数而引 起边缘区电流分布发生畸变 • 通过激发磁流体不稳定性而引起放电 破裂，或者通过大量产生逃逸电子诱 导放电破裂。 • 这类破裂可以通过降低电流上升率或 者让密度与电流同步上升而抑制它。
比压极限破裂影响能量约束
• 比压极限破裂在高参数下出现，即使边缘安全因子远离磁 流体不稳定性边界，也会因等离子体比压大于某种不稳定 性的临界阈值而引发破裂。 • 比压极限破裂的特征类似于密度极限破裂，但比密度极限 破裂更难控制。首先从平衡方程出发，要求等离子体压强 必须小于磁压强，平衡条件所要求的比压是很宽的条件， 所以比压极限破裂多源于磁流体不稳定性的限制。 • 磁流体不稳定性以较快的增长率发展，引发二次或多次热 淬灭，如果整个过程影响到大部分约束区，最终会导致大 破裂。如果仅影响部分约束区，可能只发生一次小破裂。 • 理论研究表明比压极限来自于气球模不稳定性，是过大的 压强梯度与坏磁场曲率引起的；有的理论也认为在高比压 条件下，外部理想扭曲模的发展也会引发破裂。 • 对于大型装置以及未来的反应堆，约束的主要限制来自密 度极限破裂和比压极限破裂。
平衡位移失控影响能量约束
• 平衡失控失控这种情况在实验中比较普遍， 如送气过快或加热过快引起等离子体密度、 温度的快速变化，位移控制跟不上平衡位 置的变化而引起等离子体快速靠近器壁， 增强了等离子体与器壁的相互作用，加大 了杂质辐射而引起放电破裂。 • 这种位移破裂可以通过改进位移控制技术， 即对位移进行快速反馈控制来避免。
mb/d
世界上石油资源的蕴藏量分布
世界上的石油资 源分布极其不均 衡，其中中东地 区占有已探明储 量的70%。
中国是一个石油 储量相对贫乏的 国家。
各种化石能源的使用年限
按照现在的消费 增长，化石燃料 可供人类使用时 间分别为: 煤：220年 石油：40年 天然气：60年
氚的衰变
• 氚的半衰期为 12.3年，所以自 然界中不存在大 量的氚。 在自然界中只存 在3.7kg的氚。 而氚在人体中只 能存在40天。
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在氚的衰变过程中，只会产生低能β射线（电子）， β 射线甚至不能穿透皮肤。 空气中的β射线只能传播几毫米。
等离子体
固体 液体 气体
• 增加原子(核) 运动速度的方 法通常是提高 物体的热运动 速度。 • 当物体的温度 足够高时，物 体呈等离子态。
2007年8月核聚变与等离子体物理暑期讲习班
托卡马克等离子体约束
严龙文
核工业西南物理研究院, 成都 2007年8月12日于四川大学
内容摘要



人类生活对能源的需求 核聚变及受控核聚变原理 等离子体约束的基本问题 等离子体约束的各种模式 等离子体输运与能量约束定标 约束改善与边缘局域模控制 总结和讨论
等离子体约束的一些基本问题
• 托卡马克等离子体的约束是指将等离子体的粒子和热能约 束在其磁场位形中。 • 磁约束等离子体，是一种动态平衡状态下的多自由度体系， 其中的粒子和能量都与外界不断地进行着交换，等离子体 的各种参数也随着时间不断地变化着，等离子体与约束等 离子体的磁场位形有着强烈的相互依赖关系，构成一个非 常复杂的电、磁、粒子系统。 • 很多不稳定性会影响能量约束，改变等离子体参数和磁场 位形又可抑制或被激发各种不稳定性，改善或变坏等离子 体的约束。 • 影响等离子体约束性能的主要物理过程包括磁流体平衡及 其不稳定性、杂质辐射、电子和离子的反常输运等。
人类生活对能源的需求日益增大
• 自从人类学会如何 使用能源使自己生 活更加舒适和方便 后，人们使用能源 的能力和对能源的 消耗就不断增加。 工业文明发展之后， 这种需求和增加就 越来越快。 为了保持人类的舒 适生活，现在对能 源的消耗极大
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能源消耗图表
各种能源消耗的份额
现存能源种类 其他能源：风能、太阳能、 地热能、等 0.5%
D-D 反应 D-T 反应
常用的核聚变反应
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• • 轻核聚合反应： 2+ D2→ He3+ n1+3.2MeV D 1 1 2 0 2+ D2→ T3+ p1+4.0MeV D 1 1 1 1 2 3 4 1 1D +2He →2He +1p +18.3MeV 2+ T3→ He4+ n1+17.6MeV D 1 1 2 0 故总结果： 6 1D2→22He4+21p1+20n1+43.1MeV 即每个氘核聚变后可产生约7.2MeV的能量，是 每个重核裂变释放能量0.85MeV的8.5倍，单位 质量的氘核聚变释放的能量比裂变大很多，这 是聚变反应作为一种潜在新能源的突出优点。