环形等离子体物理实验基础 主要参考资料 石秉仁：磁约束聚变——原理与实践，原子能出版社，1999. John Wesson: Tokamaks, Clearendon Press, 1997. L.H.Hutchinson: Principles of plasma diagnostics, Cambridge Univ. Press, 1987. 项志遴，俞昌旋：高温等离子体诊断技术，上海科学技术出版社，1982. ITER Physics Expert Group: ITER Physics Basis, Nuclear Fusion, Vol. 39(12), 2137-2664, 1999. 工具书：聚变能术语浅释，www.swip.ac.cn， NRL Plasma Formulary, ppd.nrl.navy.mil

环形等离子体物理实验基础 磁约束聚变研究和装置类型 托卡马克装置 托卡马克等离子体诊断 等离子体约束 磁流体活动和不稳定性 辅助加热和电流驱动 粒子输运和控制

第一章，磁约束聚变研究 装置类型 磁约束聚变研究 磁约束聚变途径和装置类型

1.1.研究意义：各种能源储量和可用年数 能源 储量（109J） 可用年数 石油 1.2X1013 40 天然气 1.4X1013 50 煤 （按目前消耗水平） 能源 储量（109J） 可用年数 石油 1.2X1013 40 天然气 1.4X1013 50 煤 1.0X1014 300 铀235（裂变堆） 1013 30 铀238釷232（增殖堆） 1016 30000 锂（DT聚变堆） 1019 3X107

各国消耗能源比例

煤和DT聚变所耗燃料和产生废料对比 （一天提供109W电能） 煤 DT聚变 燃料 9000吨煤 0.5公斤D2 1.5公斤Li6                                                                                                                                              煤 DT聚变 燃料 9000吨煤 0.5公斤D2 1.5公斤Li6 (0.7公斤T2) 废料 30000吨CO2 600吨SO2 90吨NO2 2公斤He4

聚变和裂变堆关闭后的放射性

聚变能对全世界总一次能源的贡献估计

1.2.主要聚变反应 D + D → 3He(0.82MeV) + n(2.45MeV)   D + D → T(1.01MeV) + p(3.03MeV) D + D → 3He(0.82MeV) + n(2.45MeV) D + T → 4He(3.52MeV) + n(14.06MeV) D + 3He → 4He(3.67MeV) + p(14.67MeV)

几种聚变反应的比较 反应 截面 温度 燃料 辐射 D-D 小 低 易得 强 D-T 大 D-3He 高 登月 弱

1.3.聚变反应堆原理

聚变-裂变混合堆 238U + n —> 239Pu 核工业西南物理研究院设计的聚变-裂变混合堆

1.4.磁约束聚变研究历史 1952年，美国第一次Sherwood方案会议在Denver举行。在以后几年里，发展了仿星器、磁镜、箍缩等装置。 1957年，英国环形箍缩装置ZETA运行。 1958年，国际和平利用原子能会议在日内瓦召开。各主要国家将聚变研究解密。 1961年，IAEA第一次国际核聚变会议在萨尔茨堡召开。 1964年，苏联研制T-3装置，大半径1m，环向磁场2-2.5Tesla，电子温度达到600-800eV。 1968年，苏联在新西伯利亚会议上公布托卡马克上的结果。 1969年，英国Calham实验室的科学家携激光散射测量装置去苏联T-3装置实地测量，证实确实达到很高的电子温度。 1970年，各国开始建造自己的托卡马克。 1974年，美国公布角向箍缩装置Scyllac的结果。 1979年，美国串列磁镜TMX成功验证串列磁镜概念。

磁约束聚变研究历史（续） 1985年，苏美首脑建议合作建造国际热核实验堆，即ITER 1989年，德国ASDEX实现H模运转。 1991年，欧洲的JET装置用DT反应产生1.7MW聚变功率。 1993年，美国TFTR装置用DT反应产生6.4MW聚变功率，后来又将这一功率提高到10.7MW。 1997年，JET又创造了DT反应产生16.1MW聚变功率的新记录。 1998年，日本JT-60装置的DD反应的实验参数的等效DT反应能量增益因子Q达到1.25。 ITER完成工程设计 2005年，参加ITER计划六方决定将装置建在法国 2006年，七方签订建造ITER的协议

JET和TFTR的实验结果

磁约束和惯性约束聚变达到参数的进展 （和计算机比较）

托卡马克的进展 （和芯片、加速器比较）

托卡马克的进展

1.5.ITER主要参数 大半径 6.2 m 等离子体小半径 2.0 m 拉长比 1.85 环向磁场 5.3 T 等离子体电流 15 MA 拉长比 1.85 环向磁场 5.3 T 等离子体电流 15 MA 辅助加热和电流驱动功率 73 MW 平均电子密度 1.1 ×1020 m-3 平均离子温度 8.9 keV 峰值聚变功率 500 MW

 该装置的建造目的是： * 产生和研究，维持400秒的感应驱动燃烧等离子体 * 产生和研究，稳态非感应驱动燃烧等离子体 * 检验主要聚变堆技术 * 堆部件试验，包括氚处理   它所研究的燃烧等离子体物理问题有 * 高能粒子效应 * 自加热效应 * 堆尺度物理问题

ITER将建在法国的Cadarache                                                                          

2006年5月24日，7个成员签订《成立国际组织联合实施ITER计划的协定》

ITER预计工程进展

通往聚变之路

聚变电站之成本分析

国际主要聚变装置分布

1.6.我国磁约束聚变研究机构的演变 （1958-2005）

电工会议时期（准备阶段） 1958年，中国科学院原子能研究所二部（现原子能科学研究院）开始磁约束聚变的研究。 中国科学院物理研究所，以及电工研究所、北京大学、复旦大学相继开展磁约束聚变研究。 1959年，原子能研究所建成脉冲磁镜《小龙》 第一届全国电工会议在北京召开。 1962年，卢鹤绂、周同庆、许国保《受控热核反应》出版。 第二届全国电工会议在哈尔滨召开。 黑龙江原子核研究所建成一台小型角向箍缩装置。 1965年，东北技术物理研究所（原黑龙江原子核研究所）与原子能研究所十四室合并，迁往四川乐山，称西南585所。 1966年，第三届全国电工会议在哈尔滨召开。

第二届电工会议代表合影 1962, 哈尔滨

文革和后文革时期（整合阶段） 1969年，中科院物理所建成一台角向箍缩装置，并得到聚变中子。 1971年，西南585所的仿星器《凌云》建成。 1974年，中科院物理所和电工所成功研制CT-6托卡马克。 “受控核聚变研究工作交流会”在乐山召开。 1975年，中科院在安徽合肥筹建等离子体物理研究所。 西南585所超导磁镜装置303建成。 中国科学技术大学建立等离子体专业。 1980年，《核聚变》（《核聚变与等离子体物理》）创刊， 1981年，中国核学会核聚变与等离子体物理学会成立。 徐家鸾、金尚宪《等离子体物理学》出版。 1982年，项志遴、俞昌旋《高温等离子体诊断技术》出版。

改革开放时期（攀登阶段） 1984年，核工业西南物理研究院研制成功HL-1环流器装置 中科院等离子体物理所研制成功HT-6M托卡马克装置。 1988年，马腾才、胡希伟、陈银华《等离子体物理原理》出版。 1991年，中科院等离子体物理所建成超导托卡马克HT-7。 1994年，核工业西南物理研究院将HL-1改装成HL-1M。 1999年，石秉仁《磁约束聚变：原理和实践》出版。 英文刊物《Plasma Science & Technology》创刊。 2002年，核工业西南物理研究院建成HL-2A装置。 中科院物理所和清华大学建成球形托卡马克SUNIST。 2005年，我国决定加入ITER。 2006年，中科院等离子体物理研究所建成超导托卡马克EAST。

我国第一个有偏滤器的环流器HL-2A                                                                                                                               

超导托卡马克EAST

我国的装置参数的地位

我国本世纪核能发展战略 热中子 反应堆 快中子 增殖堆 聚变堆

2.磁约束聚变装置类型 分类 托卡马克 球形托卡马克 仿星器 磁镜 箍缩装置 紧凑环 内环装置

2.1.分类:聚变装置类型在位形-时间平面上的分布

开端装置和环形装置                                                                         

环形装置中的粒子漂移 梯度和曲率漂移 电漂移

托卡马克和仿星器的比较

2.2.托卡马克装置的结构                                                                  

JET 参数 达到值 等离子体大半径 R 2.96 m 等离子体小半径 a 1.25- 2.1 m 环向场强度 BT 3.45 T 参数 达到值 等离子体大半径 R 2.96 m 等离子体小半径 a 1.25- 2.1 m 环向场强度 BT 3.45 T 等离子体电流 IP 3.2-4.8 MA 辅助加热功率 Paux 25 MW

TFTR 参数 达到值 R 2.1 - 3.1 m a 0.4 - 0.96 m BT 6.0 T IP 3.0 MA 参数 达到值 R 2.1 - 3.1 m a 0.4 - 0.96 m BT 6.0 T IP 3.0 MA PNBI 39.5 MW

JT-60 参数 达到值 R 3.4 m a 1.1- 1.4 m BT 4.2 T IP 6.0 MA Paux 55 MW

2.3.球形托卡马克（球形环，ST） 环径比A=a/R 及其数值的发展

传统托卡马克和球形托卡马克（ST） 等离子体截面

两种装置中磁力线和粒子运动轨迹

磁场利用因子和环径比的关系

START等离子体照片

NSTX装置

SUNIST装置 （清华大学，中科院物理所）

从所加磁场和比压值所做的分类（彭元凯）

ST的特点 磁场能量利用率高 宏观稳定性好 可达到高的比压 未观察到破裂不稳定性 中心螺线管效率低 辐射问题严重 等离子体比压： 动力压强/磁压强

ST的非中心螺管启动 同轴螺旋注入 垂直场启动

传统托卡马克和ST装置及反应堆尺寸比较

ST聚变堆ARIES-ST设计 Plasma aspect ratio 1.60 Major toroidal radius (m) 3.20 Toroidal b 54 % Electron density (1020 /m3) 2.74 Plasma current (MA) 30.8 CD power to plasma (MW) 31 On-axis toroidal field (T) 2.14 Fusion power (MW) 2,860

2.4.仿星器 结构和等离子体位形

仿星器的磁面

模块式线圈原理

W7AX仿星器位形

大型螺旋器LHD及其等离子体照片

仿星器所达到的等离子体参数

紧凑型仿星器NCSX的位形和成形线圈（2007年运行）

下一步：球形仿星器 （A < 3.5）                                

2.5.磁镜装置 简单磁镜 标准磁镜 串列磁镜 磁矩守恒

阴阳线圈产生最小B磁场 越飞棒 垒球线圈 阴阳线圈

简单磁镜中的电位和粒子损失区域

串列磁镜的电位分布

串列磁镜等离子体形态 和电位分布

串列磁镜结构 Boltzmann关系 为提高电位： １，提高粒子密度 （中性粒子注入） ２，提高电子温度 （电子回旋加热）

串列磁镜TARA工作原理

串列磁镜TARA外形

2.6.箍缩（pinch）类装置 发展思路 反场箍缩 Z箍缩 直线 角箍缩 环形 角箍缩 Z箍缩

Z箍缩工作原理 直线Z箍缩的缺点：电极放电，稳定性问题 避免MHD不稳定性：纵向磁场，高压气体

直线角向箍缩装置(θ-pinch ) 主要问题：终端损失

反场箍缩装置中的磁场分布 反向纵场产生方法： 自动产生（螺旋度守衡，总纵向磁通守衡） 程序场产生 ＺＥＴＡ

磁场弛豫过程 磁螺旋度（helicity）定义为 如果环绕良导体壁，从边条件 对良导体，磁螺旋守恒。 J.B.Taylor假设：在磁场弛豫过程中，磁场螺旋度仍不变，磁场形态向最小能态弛豫 （无作用力场force free field）

用同轴枪产生Z箍缩

Z箍缩的应用 核聚变 X射线和中子源 X射线激光器 脉冲强磁场

2.7.紧凑环(compact torus) 球马克(spheromak) 场反箍缩(field-reversed pinch) 天体器(astron) 场反磁镜(field-reversed mirror) “反场”和“场反”之区别： 1，反场是环形装置，场反是开端装置 2，反场内无分支点，场反内有分支点

球马克（sphromak）位形 形成方法： 1,硬磁通核(flux core) 2,同轴枪注入 3,程序场反向

球马克SSPE截面

产生方法

S-1球马克

场反箍缩 场反箍缩和球马克的区别： 场反箍缩分支面磁内只有极向场 球马克分支磁面内还有环向场

2.8.内环装置 无须强磁场：回旋辐射较弱 有内导体环：不抗中子辐射 适合先进燃料(3He) LDX OCTOPOLE

没有了