《核能和核电原理磁约束聚变部分》

1、磁约束聚变原理,磁约束聚变的参数要求 磁约束基本过程 磁约束磁场位型 箍缩(pinch)和一维平衡 磁镜装置 环形磁场 磁面 二维平衡 磁约束等离子体约束与输运 磁场中粒子扩散 玻姆扩散和新经典扩散 湍流输运和剪切流 等离子体不稳定性 托卡马克（Tokamak）装置 真空系统 磁体系统 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 磁约束核聚变电站 磁约束聚变研究历史,核聚变反应：,磁约束聚变的参数要求,劳森判据（点火条件）:,核聚变反应截面:,点火条件（三乘积）:,能量增益:,磁约束基本过程,拉莫运动,平衡等离子体位置 约束高密度等离子体 加热等离子体温度,产生外加

2、磁场 电离并长时间约束高密度核聚变反应物质 加热核聚变反应物质到10keV量级 大量产生核聚变反应,磁约束磁场位型,箍缩(pinch)和一维平衡,等离子体平衡条件,箍缩,A sketch of the -Pinch Equilibrium. The z directed magnetic field (shown in purple) corresponds to a directed plasma current (shown in yellow) /wiki/Pinch_(plasma_physics),磁约束磁场位型,箍缩(pinch)和一维平

3、衡,箍缩,A sketch of the z-Pinch Equilibrium. A - directed magnetic field (shown in purple) corresponds to a z directed plasma current (shown in yellow) /wiki/Pinch_(plasma_physics),螺旋箍缩(screw pinch),磁约束磁场位型,磁镜装置,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,研究托卡马克物理的两个坐标系,托卡马克的磁

4、场位形,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,磁力线不相交，形成嵌套的闭合拓扑环面，称为磁面 有理面，无理面 磁面上，T，n，P相等 电流在磁面上,磁约束磁场位型,二维平衡,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,磁约束等离子体约束与输运,磁场中粒子扩散,磁约束等离子体约束与输运,玻姆扩散和新经典扩散,玻姆扩散率,1T，100eV下：,磁约束等离子体约束与输运,湍流输运和剪切流,W.M.Tang2005PPCF,等离子体不稳定性引起涨落 湍流由等离子体涨落引起 湍流增强等离子体径向输运 剪切

5、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 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。 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。 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。 采用金属材料制造，一般采用无磁不锈钢材料。优点：其表面对气体的吸附量小，本

6、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： 耐高温，不易气化和溶化 放气率低，不会破坏真空 低吸附性，对反应物质吸附性低 原子数低，引起杂质辐射少,轫致辐射,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。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

7、-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

8、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,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 Tesla）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(

9、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： 加工和安装误差 引线 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,control system: Center control system + Data handling system + Discharge control system Function Govern all subsystems Timing seque

10、nce control Safety control Discharge waveform design Post-shot service,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,磁测量 等离子体电流 等离子体位置 探针诊断 边界等离子体参数 粒子散射诊断 芯部等离子体参数 粒子测量 边界粒子种类 光子散射/折射/吸收 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,EAST 装置的超导磁体系统由 NbTi/Cu 复合超导材料加工成。 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

11、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,冷却剂,电力传输线,发电机组,热交换器,热水,超高真空泵,包层,等离子体加热系统,等离子体,热量,在包层中，中子的能量转换为热，锂转化为氚,将热量取出后，其他技术与现在的电站完全一样,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

12、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,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。 1990年，ITER完成概念设计

13、 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,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,1974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

14、建成。 1984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。 1991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。 1994年，核工业西南物理研究院将HL-1改装成HL-1M。 2002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作，建成一台球形托卡马克SUNIST。 2007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。 2007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 纵场:2.8 T 等离子体电流:480 kA 持续时间:3.0 s 等离子体密度:6.0 x 1019 m-3 电子温度: 2.0 keV 离子温度: 800 eV 加热手段:NBI等,磁约束聚变研究历史,主要参数 纵场 3.5 T 等离子体电流 1-1.5 MA 大半径 1.7 m 小半径 0.4 m 大小半径比 4.25 拉长 1.6-2 三角形0.6-0.8 加热及驱动 : 离子回旋加热 6 MW 低混杂波驱动 6 MW 中性束 4(10) MW 电子回旋加热 0.5 (2) MW 脉冲长度