托卡马克等离子体约束.ppt

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： 6 1D2→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。 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?1021 m-3 keVs。 对于大型托卡马克装置温度T=10 keV，离子密度1?1020 m-3，得到能量约束时间要达3s以上。 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