磁約束核聚變研究

1、磁約束聚變研究,王龍（退休金領(lǐng)取者）2005/8 上海,磁約束聚變研究,聚變反應(yīng)磁約束聚變裝置類型主要物理和技術(shù)問題,核聚變反應(yīng),能源需求聚變反應(yīng)點火條件磁約束聚變研究歷史ITER我國的磁約束聚變研究,,各種能源儲量和可用年數(shù)（按目前消耗水平）,,煤和DT聚變所耗燃料和產(chǎn)生廢料對比（一天提供109W電能）,聚變和裂變堆關(guān)閉后的放射性,聚變能對全世界總一次能源的貢獻估計,核聚變反應(yīng),兩核間位勢曲線,每核子平均結(jié)合能

2、曲線,D + D → T(1.01MeV) + p(3.03MeV) D + D → 3He(0.82MeV) + n(2.45MeV) D + T → 4He(3.52MeV) + n(14.06MeV) D + 3He → 4He(3.67MeV) + p(14.67MeV),主要聚變反應(yīng),聚變反應(yīng)截面,幾種聚變反應(yīng)的比較,等離子體約束,聚變反應(yīng)堆原

3、理,聚變-裂變混合堆,核工業(yè)西南物理研究院設(shè)計的聚變-裂變混合堆,238U + n —> 239Pu,,點火條件:僅用反應(yīng)產(chǎn)生的、約束在磁場內(nèi)的α粒子維持反應(yīng)所需的溫度，而無須外加熱。,,,,,Lawson判據(jù):考慮到聚變反應(yīng)所產(chǎn)生的所有能量經(jīng)一定轉(zhuǎn)換效率（一般設(shè)為1/3）返回加熱等離子體，并考慮到軔致輻射損失，得到反應(yīng)可持續(xù)下去的條件。,,,1952年，美國第一次Sherwood方案會議在Denver舉行。在以后幾年里，發(fā)展了仿

4、星器、磁鏡、箍縮等裝置。1957年，英國環(huán)形箍縮裝置ZETA運行。1958年，國際和平利用原子能會議在日內(nèi)瓦召開。各主要國家將聚變研究解密。1961年，IAEA第一次國際核聚變會議在薩爾茨堡召開。 1964年，蘇聯(lián)研制T-3裝置，大半徑1m，環(huán)向磁場2-2.5Tesla，電子溫度達到600-800eV。1968年，蘇聯(lián)在新西伯利亞會議上公布托卡馬克上的結(jié)果。 1969年，英國Calham實驗室的科學(xué)家攜激光散射測量裝置

5、去蘇聯(lián)T-3裝置實地測量，證實確實達到很高的電子溫度。 1970年，各國開始建造自己的托卡馬克。1974年，美國公布角向箍縮裝置Scyllac的結(jié)果。1979年，美國串列磁鏡TMX成功驗證串列磁鏡概念。,磁約束聚變研究歷史,1985年，蘇美首腦建議合作建造國際熱核實驗堆，即ITER1989年，德國ASDEX實現(xiàn)H模運轉(zhuǎn)。1990年，ITER完成概念設(shè)計1991年，歐洲的JET裝置用DT反應(yīng)產(chǎn)生1.7MW聚變功率。1

6、993年，美國TFTR裝置用DT反應(yīng)產(chǎn)生6.4MW聚變功率，后來又將這一功率提高到10.7MW。1997年，JET又創(chuàng)造了DT反應(yīng)產(chǎn)生16.1MW聚變功率的新記錄。1998年，日本JT-60裝置的DD反應(yīng)的實驗參數(shù)的等效DT反應(yīng)能量增益因子Q達到1.25。ITER完成工程設(shè)計 2005年，參加ITER計劃六方?jīng)Q定將裝置建在法國,磁約束聚變研究歷史（續(xù)）,磁約束和慣性約束聚變達到參數(shù)的進展（和計算機比較）,托卡馬克的進展

7、（和芯片、加速器比較）,托卡馬克的進展,大半徑 6.2 m等離子體小半徑 2.0 m 拉長比 1.85環(huán)向磁場 5.3 T 等離子體電流 15 MA 輔助加熱和電流驅(qū)動功率 73 MW 平均電子密度 1.1 X 1020 m-3 平均離子溫度 8.9 keV

8、 峰值聚變功率 500 MW,ITER主要參數(shù),該裝置的建造目的是：* 產(chǎn)生和研究，維持400秒的感應(yīng)驅(qū)動燃燒等離子體* 產(chǎn)生和研究，穩(wěn)態(tài)非感應(yīng)驅(qū)動燃燒等離子體* 檢驗主要聚變堆技術(shù) * 堆部件試驗，包括氚處理  它所研究的燃燒等離子體物理問題有 * 高能粒子效應(yīng) * 自加熱效應(yīng) * 堆尺度物理問題,,ITER將建在法國的Cadarache,ITER預(yù)計工程進展,,通

9、往聚變之路,我國磁約束聚變研究機構(gòu)的演變（1958-2005）,1958年，中國科學(xué)院原子能研究所二部（現(xiàn)原子能科學(xué)研究院）開始磁約束聚變的研究。中國科學(xué)院物理研究所，以及電工研究所、北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)相繼開展磁約束聚變研究。1959年，原子能研究所建成脈沖磁鏡《小龍》第一屆全國電工會議在北京召開。1962年，盧鶴紱、周同慶、許國?！妒芸?zé)岷朔磻?yīng)》出版。第二屆全國電工會議在哈爾濱召開。黑龍江原子核研究所建成一臺小型角向箍縮

10、裝置。1965年，東北技術(shù)物理研究所（原黑龍江原子核研究所）與原子能研究所十四室合并，遷往四川樂山，稱西南585所。 1966年，第三屆全國電工會議在哈爾濱召開。,電工會議時期（準備階段）,1969年，中科院物理所建成一臺角向箍縮裝置，并得到聚變中子。1971年，西南585所的仿星器《凌云》建成。1974年，中科院物理所和電工所成功研制CT-6托卡馬克?！笆芸睾司圩冄芯抗ぷ鹘涣鲿痹跇飞秸匍_。1975年，中科院在安徽合

11、肥籌建等離子體物理研究所。西南585所超導(dǎo)磁鏡裝置303建成。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)建立等離子體專業(yè)。1980年，《核聚變》（《核聚變與等離子體物理》）創(chuàng)刊， 1981年，中國核學(xué)會核聚變與等離子體物理學(xué)會成立。 徐家鸞、金尚憲《等離子體物理學(xué)》出版。 1982年，項志遴、俞昌旋《高溫等離子體診斷技術(shù)》出版。,文革和后文革時期（整合階段）,1984年，核工業(yè)西南物理研究院研制成功HL-1環(huán)流器裝置。同年，中科院等離子

12、體物理所研制成功HT-6M托卡馬克裝置。1988年，馬騰才、胡希偉、陳銀華《等離子體物理原理》出版。1991年，中科院等離子體物理所建成超導(dǎo)托卡馬克HT-7。1994年，核工業(yè)西南物理研究院將HL-1改裝成HL-1M。1999年，石秉仁《磁約束聚變：原理和實踐》出版。英文刊物《Plasma Science & Technology》創(chuàng)刊。2002年，核工業(yè)西南物理研究院建成HL-2A裝置。中科院物理所和清華大學(xué)合作

13、，建成一臺球形托卡馬克SUNIST。華中科技大學(xué)將美國的TEXT裝置引進國內(nèi)。2005年，我國決定加入ITER。 中國科學(xué)院等離子體物理研究所建成超導(dǎo)托卡馬克EAST。,改革開放時期（攀登階段）,,我國第一個有偏濾器的環(huán)流器HL-2A,超導(dǎo)托卡馬克EAST,EAST安裝現(xiàn)場（2005/1）,我國的裝置參數(shù)的地位,,我國本世紀核能發(fā)展戰(zhàn)略,熱中子反應(yīng)堆,快中子增殖堆,聚變堆,,,,磁約束聚變裝置類型,托卡馬克球形托卡馬克仿

14、星器磁鏡箍縮裝置球馬克內(nèi)環(huán)裝置,聚變裝置類型在位形-時間平面上的分布,開端裝置和環(huán)形裝置,,,環(huán)形裝置中的粒子漂移,梯度和曲率漂移,電漂移,,托卡馬克裝置的結(jié)構(gòu),,托卡馬克的磁面結(jié)構(gòu)和極向磁通定義,安全因子定義,回轉(zhuǎn)變換角磁力線繞大環(huán)一周后繞小圓的角度,,磁力線繞小截面一周后在大環(huán)方向的環(huán)繞圈數(shù),JT-60裝置,環(huán)徑比A=a/R及其數(shù)值的發(fā)展,球形托卡馬克（球形環(huán)，ST）,傳統(tǒng)托卡馬克和球形托卡馬克（ST）等離子體截面,

15、兩種裝置中磁力線和粒子運動軌跡,,磁場利用因子和環(huán)徑比的關(guān)系,START等離子體照片,,NSTX裝置,,SUNIST裝置 （清華大學(xué)，中科院物理所）,從所加磁場和比壓值所做的分類（彭元凱）,,ST在世界上的分布,ST的特點,磁場能量利用率高宏觀穩(wěn)定性好可達到高的比壓未觀察到破裂不穩(wěn)定性中心螺線管效率低輻射問題嚴重,等離子體比壓：動力壓強/磁壓強,,,ST

16、的非中心螺管啟動,同軸螺旋注入,垂直場啟動,傳統(tǒng)托卡馬克和ST裝置及反應(yīng)堆尺寸比較,美國中期大科學(xué)工程規(guī)劃中的ST,,Plasma aspect ratio1.60 Major toroidal radius (m)3.20 Toroidal b54 % Electron density (1020 /m3)2.74 Plasma current (MA)30.8 CD power to plas

17、ma (MW)31 On-axis toroidal field (T)2.14 Fusion power (MW)2,860,ST聚變堆ARIES-ST設(shè)計,作為測試聚變堆部件中子源的球形托卡馬克設(shè)計CTF,仿星器結(jié)構(gòu)和等離子體位形,W7AX仿星器位形,,大型螺旋器LHD及其等離子體照片,,仿星器所達到的等離子體參數(shù),緊湊型仿星器NCSX的位形和成形線圈（2007年運行）,下一步：球形仿星器（A < 3.5

18、）,磁鏡裝置,簡單磁鏡標準磁鏡串列磁鏡,,,磁矩守恒,陰陽線圈產(chǎn)生最小B磁場,,越飛棒,壘球線圈,陰陽線圈,,,串列磁鏡,串列磁鏡TARA工作原理,串列磁鏡TARA外形,箍縮（pinch）類裝置,Z箍縮,直線角箍縮,環(huán)形角箍縮,反場箍縮,Z箍縮,,,,,,,,發(fā)展思路,Z箍縮工作原理,直線角向箍縮裝置(θ-pinch ),,反場箍縮裝置中的磁場分布,用同軸槍產(chǎn)生Z箍縮,Z箍縮的應(yīng)用,核聚變X射線和中子源X射線激光器脈沖強磁

19、場,球馬克（sphromak）位形,球馬克SSPE截面,懸浮環(huán)裝置,LDX,OCTOPOLE,主要物理問題,平衡宏觀不穩(wěn)定性輸運約束輔助加熱和電流驅(qū)動粒子約束、雜質(zhì)、加料和排灰,,,環(huán)形系統(tǒng)的Grad-Shafranov方程,用垂直場平衡托卡馬克等離子體的道理,內(nèi)側(cè)分支點決定極向比壓值R/a,環(huán)形裝置主要宏觀不穩(wěn)定性,,扭曲模/內(nèi)模的穩(wěn)定區(qū)域,,撕裂模的形成,磁島位形,2/1和3/2磁島的生成和聯(lián)結(jié),MHD不穩(wěn)定性的發(fā)展,,好

20、曲率和壞曲率,,Mirnov振蕩,,HT-7裝置上一種特殊的Mirnov振蕩,不同振蕩模式的出現(xiàn),鋸齒振蕩現(xiàn)象,破裂不穩(wěn)定性,破裂及相關(guān)效應(yīng),歐姆加熱的新Alcator定標率,,密度提高時會達到極限,等離子體輸運,經(jīng)典輸運系數(shù)：,擴散系數(shù),離子熱擴散率,電子熱擴散率,托卡馬克的實際輸運系數(shù)遠遠大于經(jīng)典值,,新經(jīng)典輸運：考慮到約束粒子（香蕉軌道）的貢獻,新經(jīng)典輸運系數(shù),約束粒子產(chǎn)生的自舉電流,壓強梯度驅(qū)動的環(huán)向電流,一個磁面兩側(cè)的約束粒

21、子軌道,新經(jīng)典磁島,反常輸運和微觀不穩(wěn)定性,新經(jīng)典輸運仍不能解釋高的輸運系數(shù)，稱為反常輸運。反常輸運來自微觀不穩(wěn)定性。,微觀不穩(wěn)定性：λ~ρi，f >100 kHz Δω ~ ω, Δk ~ k,分類：靜電微觀不穩(wěn)定性 電磁微觀不穩(wěn)定性,漲落如何引起粒子損失？,垂直方向電場：,引起漂移速度,產(chǎn)生的粒子流,磁面平均,第2，3項為0，如果存在相關(guān)，第4項不為0

22、,等效擴散率：,靜電漂移波產(chǎn)生原理,影響托卡馬克輸運的主要不穩(wěn)定性,模是一種離子溫度驅(qū)動模ITG，,環(huán)形裝置中湍流的粒子模擬,等離子體約束,ASDEX上的L-H模轉(zhuǎn)換,H模能量約束時間較L模高兩個量級,改善約束模式,邊緣輸運壘（ETB） H模內(nèi)部輸運壘（ITB） 反剪切位形 VH模 高li模,邊緣輸運壘共同特征,Hα或Dα輻射減弱邊緣粒子流下降邊緣密度漲落減弱邊緣磁場漲落減

23、弱邊緣電場梯度上升,H模的特點,魯棒(robust)對壁條件要求不高中心區(qū)密度輪廓平高密度有良好約束,已在托卡馬克、串列磁鏡、仿星器、球形環(huán)上實現(xiàn),實現(xiàn)H模的方法,電子回旋波離子回旋波中性粒子束注入低雜波注入偏壓孔欄,DIIID上的反剪切位形,Tore-Supra上低雜波驅(qū)動產(chǎn)生反剪切位形,JT60U的內(nèi)部輸運壘,DIIID上的高內(nèi)感實驗,旋轉(zhuǎn)剪切對相干結(jié)構(gòu)的解耦,CT-6B裝置上的相干結(jié)構(gòu),改善約束的機制,帶狀流（Zo

24、nal flow）在L-H轉(zhuǎn)換中的作用,,輔助加熱和電流驅(qū)動,Spitzer電阻率公式,對于6Tesla的磁場，可以得到3.6keV的最高溫度,必須采取輔助加熱才能滿足聚變反應(yīng)要求,主要輔助加熱方式,磁化等離子體內(nèi)電磁波的色散關(guān)系,平行方向：左旋波右旋波,垂直方向：尋常波（O模）非常波（X模）,粒子約束、雜質(zhì)、加料和排灰,粒子輸運,,加料方法：1，吹氣2，彈丸注入3，超聲分子束注入（姚良驊教授）4，等離子體團注入,雜質(zhì)輻