托卡马克的基本慨念.pdf

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1、二、托卡马克的基本慨念、重要问题――导言――聚变堆堆心是几亿度的等离子体，需要强大的加热手段；磁约束高热等离子体不稳定，需要解决平衡、稳定控制问题高热等离子体向外辐射、传递大量的能量，通常的材料最高能经受3000K左右的温度，需要解决材料问题。―――电约束――利用电场约束是最简单的。在历史上也有人试验过。现在也有人继续研究用电场约束等离子体。这对低温等离子体是可行的。但对高温等离子体不可行。主要原因：等离子体中的离子和电子在电场作用下沿相反方向运动，外加电场很快就被极化的等离子体屏蔽。另外，也无法设计一种三维的封闭电场位形。―――磁约束（第一章已涉及）――带电粒子在磁场中的运动分成两部

2、分：在垂直于磁力线方向做Larmor运动，沿磁力线方向则可以自由运动（如果磁场是均匀的）；因此，除非受到其他作用，带电粒子不会离开磁力线。所以，磁场可以将高温等离子体与周围物质（真空室）隔开；磁场的这种热绝缘本领与磁场强度有关，也与等离子体的参数有关；进一步的分析表明，更与磁场位形的特性有关。―――环形磁约束――磁约束聚变研究近60年的历史表明，确保环型磁约束位形有可能建造聚变反应堆。下面主要介绍托卡马克环形磁位形。1.托卡马克基本结构、工作原理（托卡马克典型结构示意图a，经典，含铁芯变压器）（托卡马克典型结构示意图b，经典，含铁芯变压器）（托卡马克典型磁场示意图c，经典，含空芯变压器

3、）（托卡马克典型磁场示意图d，经典，含空芯变压器）（非园托卡马克示意图及位形描述术语）（磁场约束带电粒子的示意图）托卡马克是一种环形系统。典型托卡马克装置结构：它主要由产生等离子体电流的变压器(铁芯的或空芯的)、产生纵场的线圈、控制等离子体柱平衡位置的极向场线圈和环形真空室组成。托克马克工作原理（有变压器欧姆加热的）托卡马克的工作过程（以DIII-D为例）(1)t=0以前环向场（B-coil）加电流；充入气体；欧姆（E－coil）加热线圈电流加至最大值(2)在零时刻，E-coil电流迅速下降，在环形真空室中产生感应电流，加速自由电子，发生碰撞电离，形成等离子体。这时，E-coil

4、和等离子体环构成了一个变压器，前者是初级线圈，后者是次级线圈，从而形成了环形等离子体电流，产生的角向磁场。感应电场同时具有加热（欧姆加热）等离子体的作用；在E-coil电流的下降后，等离子体电流上升直至平顶。(3)之后再充入气体以增加等离子体的密度和压力。另外还有其他的加热和电流驱动的方法也被使用。托卡马克的工作过程等离子体电流增大（0-1秒）、保持不变（1-5秒）、减小（5-6秒）的三个时间段分别称为上升段、平顶段和下降段。不同的托卡马克装置都有其特定的设计目标，每个运行时的等离子体电流、环向场、放电时间等参数的取值也不相同。2.托卡马克的磁场位形及相关概念纵场线4圈、角向磁场纵场

5、线圈产生的平行于环电流的纵向磁场用于约束等离子体，抑制等离子体的磁流体力学不稳定性；角向（极向）磁场由等离子体电流产生；纵场强度要比角向磁场强度大许多倍，在正常情况下两比值>>10，这是托卡马克与其它环形装置的主要区别，也是它的一个主要特点。(相关术语―TFcoils：ThecoilsthatproducetheToroidalField（TF）inatokamak)PFcoils：ThecoilsthatproducethePoloidalField(PF)inatokamak）托卡马克磁场位形特点―――螺旋形结构托克马克磁场线示意图托卡马克磁面每根磁力线构成一个磁面，是一个套着

6、一个的具有磁剪切的环。由闭合磁力线构成的磁面为有理磁面；由无限延伸的磁力线构成的磁面为无理面；（（不要求：有理、无理磁面彼此间隔，如数轴上的有理、无理数一样。））在中心附近，沿大环方向一周即闭合的那根磁力线称为磁轴。非圆磁面－先进托卡马克（有图示）：在托卡马克装置的发展过程中，为了提高等高于体温度而仍保持其稳定性，把圆截面的等离子体沿着大环主轴方向拉长，成非圆截面(如椭圆、D型等)，这时其磁面的截面也相应地成为非圆截面。现代的实验结果表明，该位形能产生高性能的等离子体，有助于高性能参数的获得，加快了核聚变商业堆的研究步伐。（各种托卡马克磁位形示意图1）（各种托卡马克磁位形示意图2）（

7、圆托卡马克一例，DIII-D内部示意图：左边有放电的等离子体，右边图中等离子体壁上有孔洞，装有诊断、加热天线，避免与高能等离子体直接接触。等离子体第一壁为碳瓦）磁力线螺距、安全因子Bdr螺距：2Br：小环截面上的半径。B,B纵向、极向磁场。由于纵场强，螺距通常大于装置大环周长。安全因子：一条磁力线围绕小环转一圈，其对应需要绕大环方的圈数，用q表示。不同磁面具有不同的q值。由定义知：安全因子q与等离子体环向电流的大小成反比。等离