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托卡马克的基本慨念
二、托卡马克的基本慨念、重要问题
――导言――
聚变堆堆心是几亿度的等离子体,需要强大的加热手段;
磁约束高热等离子体不稳定,需要解决平衡、稳定控制问题
高热等离子体向外辐射、传递大量的能量,通常的材料最高能经受3000K左右的温度,
需要解决材料问题。
―――电约束――
利用电场约束是最简单的。
在历史上也有人试验过。现在也有人继续研究用电场约束等离子体。
这对低温等离子体是可行的。但对高温等离子体不可行。
主要原因:
等离子体中的离子和电子在电场作用下沿相反方向运动,外加电场很快就被极化的等
离子体屏蔽。另外,也无法设计一种三维的封闭电场位形。
―――磁约束 (第一章已涉及)――
带电粒子在磁场中的运动分成两部分:在垂直于磁力线方向做Larmor 运动,沿磁
力线方向则可以自由运动(如果磁场是均匀的);
因此,除非受到其他作用,带电粒子不会离开磁力线。所以,磁场可以将高温等离
子体与周围物质(真空室)隔开;
磁场的这种热绝缘本领与磁场强度有关,也与等离子体的参数有关;
进一步的分析表明,更与磁场位形的特性有关。
―――环形磁约束――
磁约束聚变研究近60 年的历史表明,确保环型磁约束位形有可能建造聚变反应
堆。下面主要介绍托卡马克环形磁位形。
1. 托卡马克基本结构、工作原理
(托卡马克典型结构示意图a,经典,含铁芯变压器)
(托卡马克典型结构示意图b,经典,含铁芯变压器)
(托卡马克典型磁场示意图c,经典,含空芯变压器)
(托卡马克典型磁场示意图d,经典,含空芯变压器)
(非园托卡马克示意图及位形描述术语)
(磁场约束带电粒子的示意图)
托卡马克是一种环形系统。
典型托卡马克装置结构:它主要由产生等离子体电流的变压器(铁芯
的或空芯的)、产生纵场的线圈、控制等离子体柱平衡位置的极向场线圈和
环形真空室组成。
托克马克工作原理 (有变压器欧姆加热的)
托卡马克的工作过程 (以DIII-D 为例)
(1) t=0 以前环向场 (B-coil)加电流;充入气体;欧姆(E-coil)加
热线圈电流加至最大值
(2) 在零时刻,E-coil 电流迅速下降,在环形真空室中产生感应电流,
加速自由电子,发生碰撞电离,形成等离子体。
这时, E-coil 和等离子体环构成了一个变压器,前者是初级线圈,后
者是次级线圈,从而形成了环形等离子体电流,产生的角向磁场。
感应电场同时具有加热 (欧姆加热)等离子体的作用;
在 E-coil 电流的下降后,等离子体电流上升直至平顶。
(3) 之后再充入气体以增加等离子体的密度和压力。另外还有其他的加
热和电流驱动的方法也被使用。
托卡马克的工作过程
等离子体电流增大(0-1秒)、
保持不变(1-5秒)、减小
(5-6秒)的三个时间段分别
称为上升段、平顶段和下降
段。
不同的托卡马克装置都有其
特定的设计目标,每个运行
时的等离子体电流、环向场、
放电时间等参数的取值也不
相同。
2. 托卡马克的磁场位形及相关概念
纵场线4 圈、角向磁场
纵场线圈产生的平行于环电流的纵向磁场用于约束等离子体,抑制等离
子体的磁流体力学不稳定性;
角向 (极向)磁场由等离子体电流产生;
纵场强度要比角向磁场强度大许多倍,在正常情况下两比值10,这是
托卡马克与其它环形装置的主要区别,也是它的一个主要特点。
(相关术语―TF coils:The coils that produce the Toroidal Field (TF)in a tokamak)
PF coils:The coils that produce the Poloidal Field (PF) in a tokamak)
托卡马克磁场位形特点―――螺旋形结构
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