《核能和核电原理(磁约束聚变部分)》

1、磁约束聚变原理p磁约束聚变的参数要求p磁约束基本过程p磁约束磁场位型l箍缩(pinch)和一维平衡l磁镜装置l环形磁场l磁面l二维平衡p磁约束等离子体约束与输运l磁场中粒子扩散l玻姆扩散和新经典扩散l湍流输运和剪切流l等离子体不稳定性p托卡马克（Tokamak）装置l真空系统l磁体系统l电源系统l中央控制系统l数据采集系统l诊断系统l辅助加热系统l低温系统l磁约束核聚变电站p磁约束聚变研究历史23411120DTHe3.5MeV + n14.1MeV核聚变反应：2133 10EnTm keVs 磁约束聚变的参数要求12ETn 242311.1 10,1020T m sTkeV劳森判据（点火条件

2、）:核聚变反应截面:点火条件（三乘积）:20310,10,3EnmTkeVs能量增益:2154externalexternalnVPQPP 磁约束基本过程拉莫运动,cLmqBrmqBp 平衡等离子体位置p 约束高密度等离子体p 加热等离子体温度1. 产生外加磁场2. 电离并长时间约束高密度核聚变反应物质3. 加热核聚变反应物质到10keV量级4. 大量产生核聚变反应磁约束磁场位型箍缩(pinch)和一维平衡0uuuPjBPjBt 等离子体平衡条件箍缩A sketch of the -Pinch Equilibrium. The z directed magnetic field (shown

3、in purple) corresponds to a directed plasma current (shown in yellow) /wiki/Pinch_(plasma_physics)jB 0,000,0,zzjjrjr BrPBBr磁约束磁场位型箍缩(pinch)和一维平衡Z箍缩A sketch of the z-Pinch Equilibrium. A - directed magnetic field (shown in purple) corresponds to a z directed plasma current (show

4、n in yellow)/wiki/Pinch_(plasma_physics)jB 0,0,0,00zzjjrBBrjr BrP 螺旋箍缩(screw pinch) 0,0,0zzzzjjrjrBBrBrjr Brjr BrP磁约束磁场位型磁镜装置min0maxcBB速度损失锥磁约束磁场位型环形磁场仿星器位型托卡马克位型静电漂移磁约束磁场位型磁面00( , , ),( , , )coscossinRZrRRrzRrZr ，l研究托卡马克物理的两个坐标系l托卡马克的磁场位形l托卡马克的磁场位形磁约束磁场位型磁面磁约束磁场位型磁面l磁力线不相交，形成嵌

5、套的闭合拓扑环面，称为磁面l有理面，无理面l磁面上，T，n，P相等l电流在磁面上=0=0jBPBjBBPBPjP 磁约束磁场位型二维平衡j B等离子体在环形磁场中的受力：磁压力热压力热张力垂直场平衡等离子体：磁约束等离子体约束与输运磁场中粒子扩散2mKTDm:2LrD: 0nuqPqKTmnuuqnEPmn uuEEtmmnmmn 磁约束等离子体约束与输运磁场中粒子扩散2LierD:磁约束等离子体约束与输运玻姆扩散和新经典扩散116eKTDeB玻姆扩散率26BDms425.5 10Dms1T，100eV下：磁约束等离子体约束与输运湍流输运和剪切流W.M.Tang2005PPCFp 等离子体不稳

6、定性引起涨落p 湍流由等离子体涨落引起p 湍流增强等离子体径向输运p 剪切流消弱湍流输运磁约束等离子体约束与输运等离子体不稳定性泰勒不稳定性磁约束等离子体约束与输运等离子体不稳定性静电不稳定性电磁不稳定性托卡马克装置主机主体真空系统磁体系统主机外围电源系统中央控制系统数据采集系统诊断系统辅助加热系统低温系统托卡马克装置真空系统真空室p 真空室是托卡马克装置的核心部分，对于反应堆来说，就是聚变反应产生的反应室。p 保证聚变反应所必需的较纯洁的本底真空及反应气体环境，真空度小于1e-5Pa。p 面对强烈的等离子体和壁的相互作用，要求很高，不同于一般的真空设备。p 采用金属材料制造，一般采用无磁不锈

7、钢材料。优点：其表面对气体的吸附量小，本身电阻较大。 缺点：本身是导体，与装置磁体产生的磁场相互耦合，延迟外场对等离子体的作用。第一壁材料面对高能量的等离子体粒子的轰击，第一壁材料需要有如下特性：p 耐高温，不易气化和溶化p 放气率低，不会破坏真空p 低吸附性，对反应物质吸附性低p 原子数低，引起杂质辐射少轫致辐射321/235 10(/)bezePZ n n TWm 石墨、锂、硼、钨托卡马克装置真空系统限制器位型托卡马克装置真空系统偏滤器位型抽气系统机械泵：即机械旋片泵，常用作粗真空系统，或高真空系统的前级泵。分子泵：由串联的高速旋转的金属扇叶组成。扇叶间距离很小，小于气体分子的平均自由程。

8、所以气流呈分子流，故名分子泵。分子泵的工作气压最高为1Par，极限气压可达10-7Par。低温泵：低温泵是利用低温表面冷凝气体的真空泵，又称冷凝泵。托卡马克装置真空系统加料系统加料系统，指实验装置中工作气体的馈入，在反应堆中指反应物质的馈入。脉冲送气最简单的送气，送气部件是压电晶体阀，响应时间为毫秒量级。但中性粒子在等离子体边缘区就被电离约束，不能对等离子体中心区直接加料。 超声分子束它使用了一种称为Laval的喷咀。当具有一定压力差的气体从一个小孔喷出时，在小孔低压侧一定范围内可形成一个超声分子束，其速度可达每秒几百米。弹丸注入这是一种能有效进行中心区加料的技术，即向等离子体注入冷冻的氢或氘

9、丸。气体被冷冻为固态的圆柱体，然后截断成一定长度的弹丸，用压缩气体射入托卡马克真空室，速度从每秒几百米到几千米。托卡马克装置真空系统托卡马克装置磁体系统 环向场线圈环向(磁)场 极向场线圈垂直(磁)场水平(磁)场 快控场线圈 校正场线圈环向场线圈01N IB dlRNIB20BB/fNIRaRRNIrRdrdrNIdsRNIa0022000200000)(cos22fRNINL020安培定律磁场均匀时的积分分立线圈产生波纹度圆线圈总磁通圆线圈自感形状因子托卡马克装置磁体系统在一些大的装置中，环向场线圈往往做成D形。这也和大装置中的等离子体截面在垂直方向拉长相适应。很强的环向场（一般大于5 Te

10、sla）可以用超导线圈提供。超导磁体是稳态运转的，适于研究托卡马克的长脉冲运行和稳态运转。 托卡马克装置磁体系统环向场线圈极向场线圈: 垂直(磁)场 水平(磁)场快控场线圈托卡马克装置磁体系统校正场线圈误差（杂散）场来源：p 加工和安装误差p 引线p 不对称构件托卡马克装置磁体系统脉冲纵场磁体电源： 电容储能（电能） 电感储能（磁能） 飞轮机组（机械能）托卡马克装置电源系统电容储能电感储能飞轮储能托卡马克装置电源系统飞轮储能托卡马克装置电源系统托卡马克装置中央控制系统托卡马克装置数据采集系统托卡马克装置诊断系统p 磁测量l等离子体电流l等离子体位置p 探针诊断l边界等离子体参数p 粒子散射诊断

11、l芯部等离子体参数p 粒子测量l边界粒子种类p 光子散射/折射/吸收l芯部等离子体参数托卡马克装置辅助加热系统欧姆加热中性束加热射频波加热托卡马克装置低温系统pEAST 装置的超导磁体系统由 NbTi/Cu 复合超导材料加工成。p超导磁体采用超临界氦迫流冷却，纵场绕组和极向场的工作温度为3.8K,纵场线圈盒和楔块的工作温度为4.5K。托卡马克装置磁约束核聚变电站原理托卡马克装置磁约束核聚变电站设想图超导线圈超导线圈冷却剂冷却剂电力传输线电力传输线发电机组发电机组热交换器热交换器热水热水超高真空泵超高真空泵包层包层等离子体加热系统等离子体加热系统等离子体等离子体热量热量在包层中，中子的能在包层中

12、，中子的能量转换为热，锂转化量转换为热，锂转化为氚为氚将热量取出后，将热量取出后，其他技术与现其他技术与现在的电站完全在的电站完全一样一样磁约束聚变研究历史19521952年，美国第一次年，美国第一次SherwoodSherwood方案会议在方案会议在DenverDenver举行。在以后几年里，发展了仿星器、举行。在以后几年里，发展了仿星器、磁镜、箍缩等装置。磁镜、箍缩等装置。19571957年，英国环形箍缩装置年，英国环形箍缩装置ZETAZETA运行。运行。19581958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。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

13、变研究解密。19611961年，年，IAEAIAEA第一次国际核聚变会议在萨尔茨堡召开。第一次国际核聚变会议在萨尔茨堡召开。 19641964年，苏联研制年，苏联研制T-3T-3装置，大半径装置，大半径1m1m，环向磁场，环向磁场2-2.5Tesla2-2.5Tesla，电子温度达到，电子温度达到600-800eV600-800eV。19681968年，苏联在新西伯利亚会议上公布托卡马克上的结果。年，苏联在新西伯利亚会议上公布托卡马克上的结果。19691969年，英国年，英国CalhamCalham实验室的科学家携激光散射测量装置去苏联实验室的科学家携激光散射测量装置去苏联T-3T-3装置实地

14、测量，证装置实地测量，证实确实达到很高的电子温度。实确实达到很高的电子温度。 19701970年，各国开始建造自己的托卡马克。年，各国开始建造自己的托卡马克。19741974年，美国公布角向箍缩装置年，美国公布角向箍缩装置ScyllacScyllac的结果。的结果。19791979年，美国串列磁镜年，美国串列磁镜TMXTMX成功验证串列磁镜概念。成功验证串列磁镜概念。磁约束聚变研究历史1985年，苏美首脑建议合作建造国际热核实验堆，即年，苏美首脑建议合作建造国际热核实验堆，即ITER1989年，德国年，德国ASDEX实现实现H模运转。模运转。1990年，年，ITER完成概念设计完成概念设计19

15、91年，欧洲的年，欧洲的JET装置用装置用DT反应产生反应产生1.7MW聚变功率。聚变功率。1993年，美国年，美国TFTR装置用装置用DT反应产生反应产生6.4MW聚变功率，后来又将这一功率提高到聚变功率，后来又将这一功率提高到10.7MW。1997年，年，JET又创造了又创造了DT反应产生反应产生16.1MW聚变功率的新记录。聚变功率的新记录。1998年，日本年，日本JT-60装置的装置的DD反应的实验参数的等效反应的实验参数的等效DT反应能量增益因子反应能量增益因子Q达到达到1.25；ITER完成工程设计完成工程设计 2005年，参加年，参加ITER计划六方决定将装置建在法国计划六方决定

16、将装置建在法国磁约束聚变研究历史磁约束核聚变主要装置磁约束聚变研究历史ITER磁约束聚变研究历史l1974年，CT-6托卡马克在中国科学院物理研究所研制成功。稍后，一台空心变压器的托卡马克HT-6B在合肥建成。l1984年，核工业西南物理研究院研制成功HL-1装置。同年，中国科学院等离子体物理研究所研制成功HT-6M装置。l1991年，中国科学院等离子体物理研究所将原苏联的T-7装置改建为我国第一台超导托卡马克HT-7。l1994年，核工业西南物理研究院将HL-1改装成HL-1M。l2002年，核工业西南物理研究院将原来德国的ASDEX装置改建为HL-1A装置。中国科学院物理研究所和清华大学合

17、作，建成一台球形托卡马克SUNIST。 l2007年，华中科技大学华中科技大学建成J-TEXT装置，并投入实验运行。l2007年，中国科学院等离子体物理研究所建成大型超导托卡马克EAST。中国磁约束核聚变研究进展磁约束聚变研究历史HL-2A 托卡马克核工业部隶属装置核工业部隶属装置纵场纵场:2.8 T等离子体电流等离子体电流:480 kA持续时间持续时间:3.0 s等离子体密度等离子体密度:6.0 x 1019 m-3电子温度电子温度: 2.0 keV离子温度离子温度: 800 eV加热手段加热手段:NBI等等磁约束聚变研究历史纵场纵场 3.5 T等离子体电流等离子体电流 1-1.5 MA大半径大半径 1.7 m 小小半径半径 0.4 m 大小大小半径比半径比 4.25 拉长拉长 1.6-2 三角形三角形0.6-0.8加热加热及