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1、国际热核实验反应堆专题托卡马克高约束运行模式和磁约束受控核聚变董家齐(核工业西南物理研究院成都610041)摘要磁约束受控核聚变是最终解决人类能源问题的有希望的途径之一.托卡马克的高约束运行模式可以大大降低下一代磁约束聚变实验装置和将来的聚变示范反应堆的规模和造价.文章简要介绍了托卡马克高约束模式的特征,实现条件及亟待研究解决的科学技术问题,包括触发高约束模式的物理机理,功率阈值与等离子体参数的关系等,以及在高约束运行模式下观察到的边缘局域模的驱动机制、控制或缓解技术等.关键词磁约束受控核聚变,托卡马克,高约束运行模式
2、,边缘局域模TokamakhighconfinementoperationmodeandcontrollednuclearfusionthroughmagneticconfinementDONGJia-Qi(SouthwesternInstituteofPhysics,Chengdu610041,China)AbstractControllednuclearfusionthroughmagneticconfinementisapromisingenergyresourcefortheworld.Thehighconfinemen
3、toperationmode(H-mode)ofTokamaksmaysignificantlyreducethescaleandcostsofnextgenerationexperimentaldevicesandfusiondemonstrationreactors.TheH-modecharacteris-tics,realizationconditions,andscientificandtechnologicalissuesneedtobeinvestigatedandaddressedur-gently,including
4、thetriggeringmechanismanddependenceofthethresholdpowerontheplasmaparame-ters,aswellasthedrivingforceandcontrolormitigationtechniquesfortheedgelocalizedmode,observedinthehighconfinementoperationmode.Keywordscontrollednuclearfusionthroughmagneticconfinement,Tokamak,high
5、confinementopera-tionmode,edgelocalizedmode[2]释放出来并有可观的能量增益的核反应.氢弹爆1引言炸也是核聚变反应,但它是瞬间的、猛烈的,其能量释放过程是不可控的.在自然界中,也有持续的核聚2009年4月,在中国环流器二号A(HL-2A)变反应,例如太阳和行星上的核聚变反应就是持续[1]托卡马克物理实验中,实现了稳定的高约束运行的,但仍然是不可控的.持续、可控的核聚变反应一模式.这项大科研进展使我国在继欧盟、美国和日本旦在实验室实现并进而得到工业应用,就可以为人之后,也站到了磁约束核聚变研究
6、的这个重要平台类提供资源丰富(足够用上100亿年)、洁净(无污上.这标志着我国的磁约束核聚变研究的综合实力染)、安全(核事故率几乎为零)且经济(消费者可以达到了一个新的水平.同时,这也意味着我国的磁约承受)的能源.因此,可以说,受控核聚变是与将来的束核聚变科学和等离子体物理实验研究进入了一个经济发展、社会进步、人类文明密切相关的有广阔应崭新的阶段.用前景的重要研究领域.但是,在经过半个多世纪的受控核聚变是一种能让轻原子核(主要是氢及2010-03-25收到其同位素氘和氚)聚合所产生的核能以可控的方式Email:jiaqi@swip.
7、ac.cn400http:www.wuli.ac.cn物理39卷(2010年)6期国际热核实验反应堆专题努力之后,人类不但还没有实现这一美好愿望,而且似乎仍然离它比较遥远.这是因为在受控磁约束核聚变研究中,人们面临的、极具科学探索性和挑战性[3]的若干基础科学和技术问题至今没有完全解决.受控核聚变研究的基本思想是,让氢(或其同位素)在一定的条件下电离成由电子和原子核混合而成的完全电离的气体等离子体,然后对等离子体加热(在等离子体中感应产生电流进行欧姆加热,图1托卡马克(a)和仿星器(b)
8、的磁场位形或从外面注入高能中性原子束或射频波进行非欧姆理论研究表明,要实现聚变能应用,即聚变输出加热),以提高原子核之间的碰撞而发生聚变反应的功率远大于对等离子体进行约束和加热所消耗的功几率.在温度为1亿度左右时,氘和氚
