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磁约束受控热核聚变研究中的物理问题 董家齐 核工业西南物理研究院 浙江大学聚变理论与模拟中心  概要 一、引言 二、高温等离子体的约束和输运 三、磁约束等离子体中的自组织现象 四、磁场重联和等离子体流 五、ITER 简介 六、结束语 一、引言 受控核聚变在现代物理学中的地位 ：2003年诺贝尔物理学奖获得者Vitaly L. Ginzburg在他的获奖演说中列出了二十一世纪初物理学的三十个重要领域（“physical minimum” at the beginning of the XXI Century）。出人意料的是，他没有把让他走上领奖台的研究领域-超导和超流，而是把受控核聚变(controlled nuclear fusion)列于其首[1]。在对此作解释时，他提到了1978年诺贝尔物理学奖获得者P. L. Kapiza的获奖演说的题目是：等离子体和受控热核反应。 受控核聚变：是让轻原子核（主要是氢及其同位素氘和氚）聚合所产生的核能以可控的方式释放出来并有可观的能量增益的核反应 D+D→T(1.01 Mev)+P(3.03 Mev) D+D→He3(0.82 Mev)+n(2.45 Mev) D+T→He4(3.52 Mev)+n(14.06 Mev) 氢弹爆炸是核聚变反应，但它是瞬间的、不可控的。 太阳上的核聚变反应是持续的、不可控的。 受控核聚变能源：资源丰富（足够用上几百亿年）、洁净（无污染）、安全（核事故概率几乎为零）且经济（消费者可以承受） 受控热核聚变是与将来的经济发展、社会进步、人类文明密切相关的有广阔应用前景的重大研究领域。 受控热核聚变研究中有极具科学探索性和对人类智慧的挑战性的基础科学问题。 受控热核聚变研究的基本思想: 氢（氘和氚）→等离子体(电子和原子核混合而成的完全电离气体)→高温等离子体→核聚变 磁约束聚变(托卡马克)和惯性约束聚(激光打靶和Z箍缩) 受控热核聚变研究中，无论磁约束还是惯性约束或Z箍缩中，都存在很多有普遍科学意义的问题。我们将简要介绍磁约束聚变研究中的几个物理问题。 二、高温等离子体的约束和输运 受控核聚变要解决的首要问题：将高温、高密等离子体约束在有限的范围内达到足够长的时间→在单位时间内发生足够多的核聚变反应 带电粒子在磁场中的运动：沿磁力线自由运动+在垂直于磁场方向的回旋运动 环形磁约束系统：托卡马克（a）和仿星器(b) 环状位形中捕获粒子的香蕉轨道 经典扩散、新经典扩散和反常输运： ， 实验发现，离子和电子横越磁力线的热扩散系数分别约为新经典理论预言值的十倍到一百倍 漂移运动和微观不稳定性：ITG,ETG,TEM…. 集体效应主导的输运 有待解决的基本问题: 1,离子能量的反常输运:湍流的发展过程、饱和机制、饱和幅值及其与等离子体参数的关系等，仍然不能从理论上准确计算离子的热传导系数; 2,电子能量反常输运:引起反常输运的微观不稳定性的驱动机制;湍流的发展过程、饱和机制、饱和幅值及其与等离子体参数的关系等; 这将是今后一段时间各国的研究人员从理论、计算机数值模拟和实验等方面进行深入研究的一个课题。 三、磁约束等离子体中的自组织现象 磁约束等离子体是一个非平衡态多体系统 磁约束等离子体是一个自由度十分巨大、具有丰富的集体运动模式的复杂系统 磁约束等离子体中存在丰富的非线性的力学和电磁效应 磁约束等离子体中观察到众多自组织物理现象,这些现象都可看作是非线性力学系统中的自组织现象在磁约束等离子体中的具体表现，具有很重要的普遍意义，同时又很典型，内容很丰富 有丰富的实验数据,但通过对资料和数据的分析去探索其背后的深层次的物理机理的工作，亟待发展 1，电子温度分布的剖面不变性： 模型：电子温度梯度(ETG)驱动的湍流支配电子能量的反常输运； 温度分布陡（温度梯度大）→湍流发展→输运系数增加→温度分布变平→温度梯度低于一定的阈值→湍流就消失→输运系数就降到新经典理论预言的值→温度分布变陡。 自洽平衡的结果，就使得电子温度梯度保持在阈值附近而呈现某种不变性。虽然线性理论求得的ETG模的不稳定阈值与实验结果很接近，但理论计算和数值模拟得到的ETG模引起的输运系数都远小于实验观测值。因此，理论仍然不能定量解释并预见电子温度分布的剖面不变性这种自组织现象。 2，输运壁垒(Transport Barrier)： 等离子体能量约束的低（L-）模： 等离子体能量约束的高（H）模： 在一定的条件下，当非欧姆加热 功率超过一定的阈值时，等离子 体会发生向高（H）约束模式的 突变。H模的一个特点就是等离 子体的密度和温度在等离子体 边缘部分会很快变陡