托卡马克研究现状 杨进 20104380133
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受控热核聚变研究现状
李银安;蔡诗东
【期刊名称】《科技导报》
【年(卷),期】1992()3
【摘要】1991年11月13日,欧洲受控热核聚变装置“托卡马克”取得令世界科学界瞩目的重大进展,实现了能量约束时间2秒,反应持续1分钟的可控热核聚变反应。
这是这项长达近40年的试验、研究进程中,向实用开发阶段突破的一个重要里程碑,也是1991年世界科技领域中的头等重大事件。
虽然最后实现商用可能还要几十年时间,但人类毕竟又向这一取之不尽的清洁能源领域迈进了一大步。
这里谨向读者推荐这篇介绍受控热核聚变研究现状的综述文章。
【总页数】6页(P17-22)
【关键词】受控热核聚变;聚变反应
【作者】李银安;蔡诗东
【作者单位】中国科学院物理研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TL61
【相关文献】
1.磁约束受控热核聚变研究中的物理问题--写于世界物理年 [J], 董家齐
2.受控热核聚变装置软X射线反演成像探测研究 [J], 李林忠;何也西;梁荣庆;李冲;李密丹;尹晓冬;苏飞
3.受控热核聚变研究的世纪展望:20世纪未决物理学问题之七 [J], 王龙
4.受控热核聚变研究进展 [J], 杨青巍; 丁玄同; 严龙文; 钟武律
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III. 托卡马克平衡位形的求解这一部分主要介绍Grad-Shafranov 方程的求解方法及相关的物理内涵。
重点是内部解的求解方法。
在磁面截面形状接近为圆时(磁面簇为套圆环系统),如果环境比1/>>=a R A ,我们可以把倒环境比A /1=ε作为展开小量,获得近似解。
在另外一些特殊电流剖面下,还可以获得精确的位形解。
III.1 圆截面托卡马克圆截面托卡马克不仅是一种数学近似,而且也是一些真实托卡马克装置的位形。
早期的托卡马克外部有一个很厚的铜壳,在等离子体环发生向外位移时会自动产生象电流,这个象电流的垂直磁场用以维持环的平衡以及稳定一些快速增长的磁流体不稳定模(扭曲模)。
Shafranov 本人对这类平衡位形做了大量的研究工作,奠定了托卡马克位形的平衡理论基础。
所以,平衡位形中各个磁面之间的相对位移被称为Shafranov 位移。
在圆柱坐标系中写出Grad-Shafranov 方程:),(21102202222ψμψψμψψψζR Rj d dF d dP R Z R R R -=--=∂∂+∂∂-∂∂ (3-1)先介绍大环境比近似展开法。
III.1.1大环境比展开法设1/<<=R r ε,这时, 以磁轴为原点,引入局部极坐标),,(ζθρ:θθρθθρsin ),(,cos ),(0r Z r R R =+= (3-1-1)图 局部极坐标取ρ为平均磁面半径⎰=θπρrd 21(3-1-2)将),(θρr 展开为Fourier 级数:]sin )(cos )([),(1θρθρρθρδρn b n a r n n n ++=+=∑=(3-1-3)对于上下对称的位形,上式中右方第二项为零。
系数1a 为Shafranov 位移函数,2a 与截面的椭圆变形有关,3a 与三角变形有关,等等。
在),(θρ坐标系中,方程(3-1)化为:),(),(),(22θρρψθρρψθρY d d C d d A =+(3-1-4)2222ρθr r r r A +=(3-1-5)]2)(sin cos 1[1222r r rr r r rr r r r R r r rr C θθρρθθρθρρθρθθ-++-+-= (3-1-6)式中下标表示对该变量求偏导数。
可控核聚变的研究及发展核聚变是一种能源产生的方式,被认为是可持续且清洁的能源,因为它不会产生长期的高放射性废物,而且燃料丰富且广泛分布。
然而,要实现可控核聚变并将其应用于实际生产中仍面临许多挑战。
本文将探讨当前可控核聚变的研究和发展。
目前,可控核聚变的主要研究领域之一是聚变装置的设计和建造。
聚变装置的设计追求将高温等离子体稳定地保持在高能量状态,并实现核聚变的反应。
研究人员发展了不同的聚变装置,例如托卡马克、磁约束等离子体装置和惯性约束聚变装置等。
托卡马克是当前最常用的聚变装置,通过磁场提供稳定的约束力以保持等离子体稳定。
然而,聚变装置的设计和建造仍面临许多技术难题,例如如何控制等离子体的稳定性、如何处理高温和高能量状态下的装置材料等。
除了聚变装置的设计和建造,研究人员还在探索不同的聚变燃料和反应方式。
目前最常用的聚变燃料是氘和氚,这是两种可在实验室中获得的同位素。
然而,这些燃料的获取和加工仍面临许多挑战。
同时,研究人员还在探索其他的聚变燃料,例如氦-3和锂-6等。
此外,研究人员还在研究不同的反应方式,例如热核聚变和低温聚变。
在可控核聚变的研究和发展中,模拟和实验也是重要的工具。
通过数值模拟和实验验证,研究人员可以更好地了解核聚变的物理过程,并优化聚变装置的设计和操作。
目前,已经建立了许多聚变实验装置,例如国际热核聚变实验堆(ITER)。
这些实验装置在不同的参数和条件下进行实验,以验证核聚变的可行性并获得更多有关核聚变的实验数据。
除了研究可控核聚变的物理过程和核聚变装置的设计,研究人员还在努力解决核聚变中的工程挑战。
例如,如何更好地控制等离子体的稳定性和控制聚变反应的实时控制系统等。
这些工程挑战需要跨学科的合作和创新解决方案。
总结起来,可控核聚变的研究和发展非常重要,因为它被认为是可持续且清洁的能源之一、研究人员正在努力解决核聚变装置的设计和建造、聚变燃料和反应方式的研究、模拟和实验验证以及工程挑战等问题。
托卡马克基本结构托卡马克(Tokamak)是一种用于核聚变实验的装置,采用环形磁场来限制等离子体,并通过加热等离子体使其达到高温和高密度。
它是目前研究核聚变最常用的装置之一。
托卡马克基本结构包括等离子体、磁场线圈、真空室和加热系统等。
1. 等离子体等离子体是托卡马克的核心部分,它是由气体在高温和高压下电离而形成的第四态物质。
等离子体的主要成分是氢的同位素氘和氚。
在托卡马克中,通过加热和注入气体等方式,使等离子体达到高温和高密度的条件,以便进行核聚变反应。
2. 磁场线圈磁场线圈是用于限制等离子体运动轨迹的重要部件。
托卡马克采用环形磁场,通过磁场线圈产生强大的磁场,将等离子体约束在环形空间内。
磁场线圈通常由超导材料制成,以保持长时间的稳定运行,并减少能量损耗。
3. 真空室真空室是托卡马克中用于保持低压环境的容器。
由于等离子体的存在,需要在托卡马克中维持较低的气压,以避免等离子体与气体相互作用。
真空室通常由金属材料制成,具有良好的密封性和耐高温性能。
4. 加热系统加热系统是用于提供能量给等离子体,使其达到所需的高温状态。
托卡马克中常用的加热方式包括射频加热、中性束注入和电子回旋共振加热等。
这些加热系统能够向等离子体注入高能量的粒子,增加其运动速度和碰撞频率,从而提高核聚变反应的概率。
5. 真空抽取系统真空抽取系统是用于维持真空室内的低压环境的装置。
由于托卡马克需要在低压环境下运行,所以需要通过真空抽取系统将气体抽取出去,以保持真空室的良好工作状态。
真空抽取系统通常由真空泵和气体处理装置组成。
6. 真空检测系统真空检测系统用于监测和控制真空室内的气压和气体成分。
通过真空检测系统,可以实时监测真空室内的气压,并及时采取措施调节真空抽取系统的工作状态。
真空检测系统通常包括压力传感器、气体分析仪和控制系统等。
7. 数据采集和控制系统数据采集和控制系统用于采集和处理托卡马克运行过程中的各种参数信息,并对托卡马克进行实时监控和控制。
五、托卡马克中的重要问题(磁约束、平衡、加热、第一壁之外)五、托卡马克中的其他重要问题(磁约束、平衡、加热、第一壁之外)1. 托卡马克物理发展的重要点19世纪30年代英国的M.法拉第以及其后的J.J.汤姆孙、J.S.E.汤森德等人相继研究气体放电现象,这实际上是等离子体实验研究的起步时期。
1879年英国的W.克鲁克斯采用“物质第四态”这个名词来描述气体放电管中的电离气体。
美国的I.朗缪尔在1928年首先引入等离子体这个名词,等离子体物理学才正式问世。
1929年美国的L.汤克斯和朗缪尔指出了等离子体中电子密度的疏密波(即朗缪尔波)。
对空间等离子体的探索,也在20世纪初开始。
1902年英国的亥维赛(发现地球上电离离层的中层,E层,被称为亥维赛层)等为了解释无线电波可以远距离传播的现象,推测地球上空存在着能反射电磁波的电离层。
这个假说为英国的E.V.阿普顿用实验证实。
英国的D.R.哈特里(1931)和阿普顿(1932)提出了电离层的折射率公式,并得到磁化等离子体的色散方程。
――――以下与托卡马克密切相关(在高温等离子体书中有对应内容)―――― 从20世纪30年代起,磁流体力学及等离子体动力论逐步形成。
等离子体的速度分布函数服从福克,普朗克方程。
苏联的Л.Д.朗道在1936年给出方程中由于等离子体中的粒子碰撞而造成的碰撞项的碰撞积分形式。
1938年苏联的A.A.符拉索夫提出了符拉索夫方程,即弃去碰撞项的无碰撞方程。
朗道碰撞积分和符拉索夫方程的提出,标志着动力论的发端。
1942年瑞典的H.阿尔文指出,当理想导电流体处在磁场中,会产生沿磁力线传播的横波(即阿尔文波)。
印度的S.钱德拉塞卡在1942年提出用试探粒子模型来研究弛豫过程。
1946年朗道证明当朗缪尔波传播时,共振电子会吸收波的能量造成波衰减,这称为朗道阻尼。
朗道的这个理论,开创了等离子体中波和粒子相互作用和微观不稳定性这些新的研究领域。
从1935年延续至1952年,苏联的H.H.博戈留博夫、英国的M.玻恩等从刘维定理出发,得到了不封闭的方程组系列,名为BBGKY链。