j-text等离子体电子密度诊断系统的建立

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1、华中科技大学博士学位论文J-TEXT等离子体电子密度诊断系统的建立姓名：高丽申请学位级别：博士专业：脉冲功率与等离子体指导教师：胡希伟;庄革20090526粒子的能量足以补偿等离子体的能量损失以维持持续的聚变反应，而无需外部辅助加热，即可以实现等离子体的“自持燃烧”，此时，我们说此时达到了热核聚变点火条件，实现“自持燃烧”所必需的条件可表述为：.nτ>12（1-5）TE〈〉σvεα式（1-4）中，n表示反应粒子的密度，τ表示能量约束时间，ε表示α粒子的能Eα量，式（1-4）右侧是温度的函数，它大致在T=30keV时有最小值，T=30keV时，点火条件可

2、表述为：nm−τ1.51020（1-6）>×s3E式（1-6）通常被称为Lawson判据，Lawson在聚变研究早期就意识到了nτ对聚E变反应堆来说是一个非常重要的参数，然而，在他的计算里，忽略了反应后产物α粒子对DT等离子体的加热效应，而认为等离子体是依靠外部源来加热。由于能量约束时间τ往往与等离子体温度有关，因此，更为普遍的是用三乘积nτT来表征点火条EE件。将συ1.11024T2m3s1=×−−（此时，T取10~20keV，在这个温度范围内，计算的聚变反应的反应率都处在10%以内），ε=3.5MeV代入式（1-4），则DT反应的点火α条件可表述

3、为：nT>×mkeVsτ321（1-7）10−3E以上计算没有考虑物理量的空间分布，也没有考虑许多重要的物理过程。对氘氚聚变反应来说，基本上归结为两方面的要求：第一，要求将氘氚等离子体的温度加热到10KeV（108K）以上；第二，要求等离子体的粒子密度与能量约束时间的乘积大于（2~4）×1014cm-3.s以上。1.2磁约束核聚变与托卡马克1.2.1磁约束核聚变要实现受控核聚变就要求将具有一定温度和密度的反应粒子约束在反应器中，由于处在聚变高温状态下粒子为等离子体，因此受控热核聚变中的基本问题之一就是高3温等离子体约束问题。聚变反应按约束方法可划分为两

4、种：磁约束聚变（MCF，MagneticConfinementFusion）和惯性约束聚变（ICF，inertialConfinementFusion）。惯性约束聚变始于60年代的美、法、俄，它是使用激光聚爆产生高密度等离子体[5-6]。40多年来ICF取得了很大的成就，但目前仍处于科学可行性研究阶段。由于带电粒子在磁场中会受到洛伦兹力而绕磁力线作回旋运动，这样磁场就可以起到约束粒子的作用，利用这一原理来实现受控热核聚变称为磁约束聚变。磁约束核聚变的关键问题之一是研究特殊形式的磁场位形，比如，托卡马克。磁场位形[7-8]指的是由外加磁场及等离子体内部电

5、流产生的磁场共同组成的一种磁场形态。简单的环向磁场不可能实现对带电粒子的有效约束。如果引进一个极向或称角向磁场，使合成磁场为环绕环轴的螺旋形。这时磁力线存在旋转变换（rotationtransform）。也就是说，当磁力线主要沿环向磁场方向前进时，它同时沿极向转动，这样，经无限多次绕大环的转动，一根磁力线将形成一个环形磁面，这种磁面被称为无理磁面，托卡马克磁场位形中绝大多数磁面均是无理磁面。在这种磁场形态下，带电粒子将在闭合的轨道上运动，而极化漂移引起的电场将被沿磁力线流动的电流所补偿，仅产生较小的次级效应。1.2托卡马克装置研究概述由于具有优良的等离

6、子体约束性能，到目前为止，托卡马克被认为是最有前途的受控热核聚变装置。在最近40年的托卡马克磁约束聚变研究期间，聚变三重积已从六十年代的1015keV·s·m-3增至1.5×1021keV·s·m-3，这已经非常接近聚变堆指标2×1021keV·s·m-3。规模最大和功率最强的装置JET和JT-60U分别在1992年和1996年达到了相当于能量得失平衡条件的阶段，即输入功率和聚变输出功率相当，在JT-60U上达到的最高等离子体温度为45keV。2006年11月21日，ITER（InternationalThermonuclearExperimental

7、Reactor国际热核实验反应堆）的6个成员政府（欧、美、中、俄、日、韩，印度随后加入）签署了合作建造ITER的协议。ITER[9-12]是一个托卡马克型聚变实验反应堆，与未来真正发电的反应堆具有同样的参数，具有试验核包层，可以进行长脉冲（1000s）放电运行，但不向电网供电，还不是真正意义上的商用实验堆。ITER将在自持氘氚燃烧条件下4运行，即主要靠α粒子自加热维持氘氚燃烧。我国的受控聚变研究始于上世纪60年代，1965年我国成立了第一个专业从事聚变等离子体研究的机构——核工业部585所（现核工业西南物理研究院，简称‘核西物院’）。核西物院在80年代

8、以前开展了大量的聚变装置及其实验研究，积累了磁约束聚变等离子体装置工程和物理实验的经验。中科院