托卡马克

托卡马克等离子体约束核工业西南物理研究院,成都2007年8月12日于四川大学严龙文2007年8月核聚变与等离子体物理暑期讲习班人类生活对能源的需求核聚变及受控核聚变原理等离子体约束的基本问题等离子体约束的各种模式等离子体输运与能量约束定标约束改善与边缘局域模控制总结和讨论内容摘要人类生活对能源的需求日益增大能源消耗图表•自从人类学会如何使用能源使自己生活更加舒适和方便后，人们使用能源的能力和对能源的消耗就不断增加。•工业文明发展之后，这种需求和增加就越来越快。•为了保持人类的舒适生活，现在对能源的消耗极大各种能源消耗的份额石油35%煤23.5%天然气20.7%核能6.8%生物能11.1%水能2.3%现存能源种类其他能源：风能、太阳能、地热能、等0.5%古时，人类多使用太阳能、风能、水能等自然能源，以及少量的树木等可再生能源农业社会时，许多像树木一样的可燃烧物被使用，也有少量的煤、石油等化石燃料被使用。工业文明之后，大量的化石燃料被使用，而且随着人口的急剧增加和科学技术的发展，将会出现了严重能源危机和污染问题。0246810121419902000201020202030mb/d-20%0%20%40%60%80%100%ProductionDemandImportsas%ofdemand(rightaxis)中国对石油的需求和产量世界上石油资源的蕴藏量分布世界上的石油资源分布极其不均衡，其中中东地区占有已探明储量的70%。中国是一个石油储量相对贫乏的国家。各种化石能源的使用年限按照现在的消费增长，化石燃料可供人类使用时间分别为:煤：220年石油：40年天然气：60年人类生活对能源的需求核聚变及受控核聚变原理等离子体约束的基本问题等离子体约束的各种模式等离子体输运与能量约束定标约束改善与边缘局域模控制总结和讨论内容摘要核聚变原理当两个轻原子核结合成一个较重的原子核时，会释放能量。我们称这种结合为聚变，放出的能量称为聚变能。在人工控制下的聚变称为受控聚变，释放受控聚变能量的装置，称为聚变反应堆或聚变堆。D-D反应D-T反应常用的核聚变反应轻核聚合反应：•1D2+1D2→2He3+0n1+3.2MeV•1D2+1D2→1T3+1p1+4.0MeV•1D2+2He3→2He4+1p1+18.3MeV•1D2+1T3→2He4+0n1+17.6MeV故总结果：•61D2→22He4+21p1+20n1+43.1MeV•即每个氘核聚变后可产生约7.2MeV的能量，是每个重核裂变释放能量0.85MeV的8.5倍，单位质量的氘核聚变释放的能量比裂变大很多，这是聚变反应作为一种潜在新能源的突出优点。地球上有多少氘•氘（D）和氚(T）是氢的同位素。•海水里含有丰富的氘，自然界中基本上没有氚。•如果将海水里所有的氘全部用来发电，将是取之不尽的能源。•1升海水相当于340升汽油的能量。海水里含有丰富的氘氚的生成•用地球陆地上的锂生成氚可以使用上千年•海水里也蕴藏丰富的锂资源氚的衰变•氚的半衰期为12.3年，所以自然界中不存在大量的氚。•在自然界中只存在3.7kg的氚。•而氚在人体中只能存在40天。•在氚的衰变过程中，只会产生低能β射线（电子），β射线甚至不能穿透皮肤。•空气中的β射线只能传播几毫米。等离子体固体液体气体等离子体•增加原子(核)运动速度的方法通常是提高物体的热运动速度。•当物体的温度足够高时，物体呈等离子态。等离子体的约束方法•等离子体是由宏观上呈电中性的带电粒子所组成。•自然状态下的等离子体是自由运动的。•高温的等离子体必须要约束较长的时间。•磁场可很好约束高温等离子体，使其沿磁力线运动。磁约束等离子体的聚变装置托卡马克（Tokamak）仿星器（Stellarator）托卡马克装置原理托卡马克等离子体的加热通常用“聚变三乘积和增益Q值”来衡量等离子体的品质参数。劳逊判据：要达到能量得失相当，要求等离子体密度n与等离子体能量约束时间的乘积n×τE的最小值约为0.6×1020m-3s，即满足聚变反应物理可行性的最低要求。若QDT=1，则要求nT乘积达到2×1021m-3skeV聚变反应率随温度急剧增加•聚变等离子体持续燃烧需要有足够的高温、高密和长时间的约束，即满足所谓劳逊判据。•考虑轫致辐射损失后的劳逊判据要求nTE大于31021m-3keVs。•对于大型托卡马克装置温度T=10keV，离子密度11020m-3，得到能量约束时间要达3s以上。受控核聚变研究的发展50’s：建立了最初的小型磁约束装置60’s：建立了成功的托卡马克装置70’s：建立了中型尺寸的托卡马克80’s：建立了大型的托卡马克90’s：达到了聚变功率得失相当水平2006：协议建造国际热核实验反应堆ITERITER的典型参数尺寸：24m（高）30m（直径）大半径：6.2m小半径：2m磁场：5.3T等离子体体积：850m3放电持续时间：3000s加热功率：73MW(I)聚变功率：500MW功率增益Q：10我们离受控聚变成功还有多远可自持的受控核聚变反应堆使用已有的氘和氚建立等离子体放电，达到聚变反应条件聚变反应生成中子、能量和氦，氦被排除用中子与装置内的锂发生核反应，生成氚，回收氚用生成的氚继续与氘发生聚变反应能量被吸收，产生蒸汽发电人类生活对能源的需求核聚变及受控核聚变原理等离子体约束的基本问题等离子体约束的各种模式等离子体输运与能量约束定标约束改善与边缘局域模控制总结和讨论内容摘要能量约束时间的定义•能量约束时间是描述等离子体最基本的参数之一，它是衡量能量约束好坏的一个重要指标，其定义为：E=WP/(Pt-dWp/dt)•这里WP是等离子体总储能，Pt是等离子体得到的净的加热功率，它提供给所有通道的能量损失，包括辐射、热传导和对流。•能量约束时间表示能量被约束在等离子体内部的存在时间，它是可以直接或间接地测量到的物理量。等离子体约束的一些基本问题•托卡马克等离子体的约束是指将等离子体的粒子和热能约束在其磁场位形中。•磁约束等离子体，是一种动态平衡状态下的多自由度体系，其中的粒子和能量都与外界不断地进行着交换，等离子体的各种参数也随着时间不断地变化着，等离子体与约束等离子体的磁场位形有着强烈的相互依赖关系，构成一个非常复杂的电、磁、粒子系统。•很多不稳定性会影响能量约束，改变等离子体参数和磁场位形又可抑制或被激发各种不稳定性，改善或变坏等离子体的约束。•影响等离子体约束性能的主要物理过程包括磁流体平衡及其不稳定性、杂质辐射、电子和离子的反常输运等。磁场位形影响等离子体约束•在磁约束聚变装置中，首要问题是建立能稳定约束高温等离子体的平衡位形，单个带电粒子不仅能够被长时间地约束，而且等离子体的能量也不会很快通过输运过程被损失掉。•由于带电粒子沿磁力线运动，决定了磁场对带电粒子具有约束能力，简单的均匀磁场并不能长时间约束带电粒子。•通过建立由外加磁场和等离子体电流产生的磁场的组合磁场，大部分带电粒子可以长时间沿磁力线运动而不会明显地损失掉，这就是所谓的磁场位形。•一种好的磁场位形不但要约束住带电燃料粒子，而且要能约束住核聚变反应产生的高温等离子体，并使其在这种磁场位形下保持宏观平衡，也就是要使等离子体的压强P，电流密度j和约束磁场B之间保持一定的平衡关系。•高拉长比和三角度位形是获得先进等离子体的优化位形。磁流体不稳定性影响能量约束•磁流体不稳定性严重影响等离子体的约束性能，它会引起等离子体快速的宏观不稳定性，它包括发展速度极快的理想磁流体不稳定性，以及相对较慢的电阻性不稳定性。•磁流体不稳定性又可按其模式发生的位置分为内部模、自由边界模或表面模。后者属于真空区的扰动模式和固定边界模式，如外部扭曲模与仅发生在坏约束区的气球模就属于表面模，而大部分撕裂模和内扭曲模都属于内部模。•控制等离子体电流和压强分布可部分控制磁流体不稳定性。如通过控制边缘安全因子的大小可以控制外部扭曲模的增长；优化电流分布有利于抑制撕裂模的发展；而控制压强分布又可以抑制气球模的发展。•影响约束的主要磁流体模式是内扭曲模和撕裂模；在非常高的比压下，可能是气球模和表面扭曲模。电流极限破裂影响能量约束•当总电流超过磁流体稳定性极限时会产生破裂，它大都出现在低q大电流放电中，边缘q进入磁流体扭曲模的不稳定参数区，从而激发扭曲模而导致放电破裂•虽然等离子体总体运行在稳定参数区，但距不稳定性的边界不远，于是实验条件稍有变动，例如中性气流突然加大，或杂质流突然增加使边缘很快冷却，导致实际电流通道的收缩，边缘等效安全因子降低而进入不稳定区。•在较高的边缘安全因子条件下运行，或者对电流剖面进行控制，可以抑制电流极限破裂。密度极限破裂影响能量约束•由于辐射功率随密度近似平方增加，在接近密度极限时，大量功率辐射会使边缘冷却，电流通道收缩，电流分布改变，引起磁流体不稳定性，导致类似于电流极限的破裂。•密度极限破裂可分为电子温度分布收缩、热淬灭及电流淬灭三个阶段。当密度超过一定值后，边缘电子温度开始冷却，这一过程逐渐向内部区域发展，芯部电子温度不断降低，导致热区很快收缩，此发展时间在100ms内。•当热区收缩到q=2面附近时，边缘热通道收缩会诱发磁流体不稳定性，开始进入热淬灭阶段，其热等离子体柱被外区冷等离子体包围，热区实际处于脱离状态，n=1的外部扭曲模快速发展，导致冷等离子体与中心热等离子体的混合，促使芯区电子温度进一步降低，热淬灭时间在10ms以内。最后进入电流淬灭阶段，电流通道完全收缩，放电终止，其特征时间为几十毫秒。•由于密度极限破裂发展较慢，有时能观测到MARFE等一些先兆现象，通过增加注入加热功率可抑制密度极限破裂。平衡位移失控影响能量约束•平衡失控失控这种情况在实验中比较普遍，如送气过快或加热过快引起等离子体密度、温度的快速变化，位移控制跟不上平衡位置的变化而引起等离子体快速靠近器壁，增强了等离子体与器壁的相互作用，加大了杂质辐射而引起放电破裂。•这种位移破裂可以通过改进位移控制技术，即对位移进行快速反馈控制来避免。电流快上升破裂影响能量约束•电流快速上升容易产生电流的趋肤分布，激发了一些较高的极向模数而引起边缘区电流分布发生畸变•通过激发磁流体不稳定性而引起放电破裂，或者通过大量产生逃逸电子诱导放电破裂。•这类破裂可以通过降低电流上升率或者让密度与电流同步上升而抑制它。比压极限破裂影响能量约束•比压极限破裂在高参数下出现，即使边缘安全因子远离磁流体不稳定性边界，也会因等离子体比压大于某种不稳定性的临界阈值而引发破裂。•比压极限破裂的特征类似于密度极限破裂，但比密度极限破裂更难控制。首先从平衡方程出发，要求等离子体压强必须小于磁压强，平衡条件所要求的比压是很宽的条件，所以比压极限破裂多源于磁流体不稳定性的限制。•磁流体不稳定性以较快的增长率发展，引发二次或多次热淬灭，如果整个过程影响到大部分约束区，最终会导致大破裂。如果仅影响部分约束区，可能只发生一次小破裂。•理论研究表明比压极限来自于气球模不稳定性，是过大的压强梯度与坏磁场曲率引起的；有的理论也认为在高比压条件下，外部理想扭曲模的发展也会引发破裂。•对于大型装置以及未来的反应堆，约束的主要限制来自密度极限破裂和比压极限破裂。杂质影响等离子体能量约束•由于杂质会增大等离子体能量的辐射损失，改变等离子体参数的空间分布，降低等离子体的能量约束时间，稀释反应离子的密度，降低聚变反应等离子体的品质因素，而成为等离子体约束研究的一个主要方面。•辐射损失直接影响电子温度剖面，而局部电子温度又与局部电阻率有关，因而辐射损失会影响环向电流密度剖面和安全因子剖面。•这些剖面分布又影响等离子体磁流体不稳定性，若等离子体发生宏观不稳定性，例如由于边缘过分冷却使电流通道收缩，会激化扭曲模和撕裂模不稳定性，形成大的磁岛，导致放电破裂。•辐射损失也可使等离子体局部约束变坏。杂质控制可改善能量约束•杂质按电荷数的大小可分为重杂质和轻杂质。重杂质主要来源于真空室壁、孔栏或偏滤器靶板材料中的重金属，重杂