核聚变及等离子体物理 第二章4

1、磁约束聚变磁约束聚变磁镜 磁镜效应：宇宙射线进入地球磁场，被捕获在两极强磁场之间来回反射，沿磁力线作螺旋运动的带电粒子往往被强磁场区域反射，这种现象称为磁镜效应。提出利用磁镜来约束等离子体。 磁镜是一种开端装置，也有很长的发展历史：简单磁镜 标准磁镜 串列磁镜BBM一、简单磁镜1、磁场特点：u圆柱形容器的中间部分磁场强度B较小，而且平坦，在两端部分磁场强度增大，最大值为BM，由两端的强磁场线圈产生。u当带电粒子由中间部分向端部运动时，v减小，v变大，当v减小到零时， v最大，停止向端部运动，并向中间处运动。u当带电粒子由端部向中间部分部运动时，v增大，v减小，当运动到中心处时， v最小， v最

2、大，继续向端部运动。 当带电粒子的 满足的条件时，即具有相对较大的v和相对较小的v，虽然粒子运动到端部时，v增大，v减小，但是v不为零，在这种情况下粒子将逃出磁镜，即逃出磁镜的条件是：2、约束条件vvMvBvBMvBvB 设中心处磁场强度速为B0， 表示中心处的粒子垂直速度分量和总速度之比，可得：001()MBvvBR0()vv其中 ，称为磁镜比，R越大磁镜的约束效果越好，能跑出去的粒子越少。0MRBB 寝渐不变量（绝热不变量）：在体系参量变化非常缓慢的条件下，存在着一些变化着的物理量，将他们按照某种关系组合成另一种量，在变化的过程中这种量的改变非常小，以至于可以足够精确的将它认为是一个常数。

3、 寝渐不变量并不是一个绝对守恒量，而是一个近似不变量。 等离子体的三个寝渐不变量是磁矩，磁通量和纵向不变量J。寝渐不变量磁矩IS回旋电流：2cIq面积：2cSr2222()cmvrq B回旋半径：定义：回旋频率：cqBm代入定义式可得：22mvWBB其中 表示带电粒子垂直于磁场方向运动的动能。W根据上面的推导可知：根据是寝渐不变量的性质，可得：222sin22mvm vBB2200sinsinMMBBvvc当 时， 粒子被反射，粒子被反射时对应的角度称为临界角，即2M0v 200sin1 sinMccMBBBB或在磁镜的中心处当 时，粒子在端部被反射回来；当 时，粒子在端部损失掉。0c0c 实

4、际上，即使满足 这个条件，带电粒子也不可能长久地被约束住，由于碰撞会使粒子运动的角度发生变化，从而使等粒子体在足够的时间后通过端部全部损失掉。 同时，由于带电粒子的损失，破坏了等离子体的热平衡，这会引起微观不稳定性，使粒子和能量的损失增大。0c 由此可见，带电粒子能否被反射，究竟是成为俘获粒子还是逃逸粒子，不取决于粒子动能的大小，而取决于粒子的速度方向和磁场方向之间的夹角。0MRBB引用磁镜比： 为改善磁镜约束，应该提高磁镜比R。但R的增加是有限的，而且对改善约束好处不大。中心区磁场过弱会降低径向的约束。 简单磁镜最大的缺点是宏观稳定性不好。在简单磁镜的中心区，磁力线的曲率半径中心在等离子体区

5、。也就是说，磁场在径向向外减弱。这样的磁场位形对多种磁流体不稳定性是不稳定的。 在磁镜中可以用等离子体枪注入或用电子回旋共振波产生初始等离子体。可用磁压缩、离子共振波注入或高能中性粒子注入进一步提高温度。二、标准磁镜二、标准磁镜(standard mirror)改善磁场位形的方向是寻求一种外加磁场位形，它在径向是越往外磁场越强。为增加边界区的磁场强度，一种方法是外加磁场。约飞在两个圆形磁镜线圈之间对称地安装了4根纵向导体棒，相邻2根导体棒中通过的电流方向相反，和原来的磁场叠加形成磁阱位形。可以将其与产生轴向磁场的线圈合在一起，形成一个线圈。其形状像垒球的缝线轨迹，称为垒球线圈。有人将其分为两个

6、，称为阴-阳线圈，可以具有更大的磁镜比三、串列磁镜三、串列磁镜仿星器（stellartor） 仿照星球内的高温等离子体。8字型仿星器位形标准仿星器位形与环流器相比： 最大的不同之处在于它的脚向场是靠外加的螺旋形绕组产生的，螺旋绕组象一个沿着环向拉伸的螺旋管，通电后产生螺旋形的磁力线，和环向磁力线耦合成螺旋形的总磁力线，提供旋转变换磁剪切和平均磁阱。标准仿星器位形的特点：它的结构以及产生的等离子体，都不再保持轴对称了。它的等离子体截面也不可能保持圆形。当沿着环的小轴前进时，非圆的形状是旋转的。 这些特点使仿星器的约束理论很难，磁场位形也很复杂。 在工程上，标准仿星器的线圈布置有明显的缺点，即它们

7、互相套叠，安装拆卸困难，特别不适合于反应堆。1、扭曲器(torsatron) 用一组同一电流方向的螺旋线圈代替原来的环向场线圈和螺旋绕组。其数目是原来螺旋绕组线圈数目之半。而它们产生的垂直方向磁场用另一组水平方向的垂直场线圈抵消。2、螺旋磁轴装置heliac(Helical Axis Device) 将环向场线圈的中心不再排列在一平面的圆周上，而是排列在一个绕圆周的螺旋线条上。还安装了一组水平放置的线圈，以提高位形变化的灵活性。 当前最大的仿星器是日本的LHD(Large Helical Device) 。它是一台扭曲器类型的装置，又称为螺旋器(heliotron)。由三对极向场线圈和一对螺旋

8、场线圈组成，全为超导磁体。发展前景：发展前景：n 仿星器的工艺复杂，加工和安装的精确度要求高，但是由于极向场由外线圈决定，物理上比托卡马克简单。n 由环形等离子体电流引发的问题，如破裂，它不存在，虽然也有宏观不稳定性问题。其主要优点还是稳态运行。n 它的很多方面，如新经典输运、反常输运、高约束模、辅助加热等物理及工程问题，都和托卡马克有共同点。n 在仿星器上，也总结了类似托卡马克的定标律。作为托卡马克的参照物，其研究成果也对托卡马克研究作出贡献。箍缩装置箍缩类装置基于箍缩效应，在技术上属于快放电装置。 Z箍缩 角向箍缩 环形箍缩 反场箍缩缺点: 一是经常发生磁流体不稳定性，特别是扭曲不稳定性和

9、腊肠不稳定性。二是电极放电会产生大量金属杂质。1、Z箍缩 一个直柱形的等离子体通过轴向电流时，电流产生角向磁场。电流在磁场作用下，产生向内的压力使等离子体收缩。在两电极间加直流高电压击穿后，就会观察到放电和箍缩现象。放电箍缩后，形成高温高密度等离子体。2、角向箍缩 用一置于绝缘的放电管（玻璃或陶瓷）外的单匝角向线圈，即是一个导体圆筒开有纵向割缝。当脉冲电流流过线圈时，在放电管内感应了轴向磁场，这一变化磁场当即产生环向电场将气体击穿，形成与线圈内电流方向相反等离子体电流。这轴向磁场压迫放电电流向中心运动。缺点：终端损失是主要损失机构，宏观不稳定性3，反场箍缩（reversed field con

10、figuration） 在ZETA(是一个环形Z箍缩装置)上观察到一种自然发生的反场位形就是在边缘处的纵向磁场和中心处磁场反向。其原因是在等离子体的发展中进入湍流态。反场箍缩的磁场位形类似托卡马克，但极向场和环向场强度接近。紧凑环 所谓紧凑环（compact torus）也可认为是环形装置，然而在环的中心洞中没有任何线圈通过。这样就使等离子体接近球形。 和托卡马克一样，紧凑环中存在环向磁场Bt和极向磁场Bp。 在 主 要 的 两 种 紧 凑 环 中 ， 场 反 位 形 属 于Bp/Bt1，球马克属于Bp/Bt1。1、球马克位形装置（1）磁通核产生球马克等离子体：首先极向场线圈放电，产生极向磁场。然后，环向场螺线管放电，在磁通核附近产生击穿产生等离子体，并感应环向电流。这时外垂直场（在图中为方向向下）启动，将等离子体环向内压缩。高温等离子体将磁场冻结一起运动，脱离磁通核，形成球马克的位形。（2）同轴枪产生球马克等离子体： 由内外两同轴电极组成，当有高电压加到两电极之间时，击穿以后，形成电极间的放电。这一电流在两电极间产生的磁场推动放电等离子体向另一端运动并加速而脱离电极体系。 等离子体射出后，根据不同的处理方式，可以形成Z