电浆约束原理 _生活百科

电浆约束原理基本介绍外文名：plasma confinement
将高温电浆维持在特定的空间区域中足够长的时间，从而使聚变反应能充分地进行的方法。核聚变要在10K以上的高温下才能有效地进行，此时燃料(如氘氚混合体)早已成为完全电离的物质——高温电浆，不可能用常规的容器盛装。现正在进行研究的聚变电浆的约束分两类:即磁约束和惯性约束。磁约束的基本思想是:利用强磁场能大幅度地减小带电粒子横越磁力线扩散和导热的特性，使处在磁场中的高温电浆的芯部与容器的器壁隔离开；惯性约束则利用极高功率的雷射或粒子束能在瞬间使燃料靶丸化成相当高温的电浆，并能使其中一部分继向内压缩成极高密度的电浆(“聚爆”)的特性，在这部分高温电浆飞散之前完成足够数量的核聚变。这里讨论的电浆约束仅指磁约束。磁约束原理组成聚变电浆的电子、燃料的离子及非燃料元素的离子(杂质)，以及它们携有的能量，可以通过多种物理过程从约束区域流失。这些过程包括粒子轨道与器壁相交引起的直接损失，由粒子间碰撞及粒子群集体相互作用引起的扩散和热传导，各种辐射损失，等等。一种合乎要求的磁约束方案必须同时解决三方面的问题:①能很好地约束带电粒子；②能确保聚变电浆处于稳定的巨观平衡态；③具有良好的横越磁场的输运(扩散和热传导)特性和在合理程度上控制杂质。磁约束电浆位形为满足上述要求，要设计特殊的磁场位形(由外部电流及电浆内部电流产生的磁场结构) 。从几何形态上分，磁约束位形分为直线位形和环形位形。直线位形的代表是磁镜，其电浆约束区的结构像一个纺锤。其原理是一部分带电粒子(相对于磁力线方向而言，其速度的垂直分量大于一定的临界值)会从磁场较强的端塞区反射回来，于是在磁场较弱的中部形成约束区。由附加的複杂的磁场保证电浆的巨观稳定性。但是，由于粒子的碰撞作用，带电粒子在一定时间内仍能从磁缝中逸出，这是磁镜位形要解决的主要问题。目前提出用多级镜来减小这种损失，称为串级磁镜。不过，磁镜装置实验得到的总体电浆参数离建反应堆的差距太大，现在磁镜位形的研究已基本停止。

文章插图
磁镜位形示意图环形位形是各种磁力线封闭在空间“环形”区域中的位形的总称(不一定是圆环)，包括托卡马克、仿星器(及一般地称作先进环形位形)、反向场位形等。带电粒子不会沿磁力线逸出约束区，但由于环形不均匀性，粒子可以横越磁场做漂移运动，电子和离子的漂移方向相反，因而会引起电荷分离，这一过程中的电场具有破坏整体约束的作用。解决的办法是引起沿环的径线方向的磁场(“极向”磁场)，也称对磁力线进行旋转变换，使磁力线成为环形螺线。这样一来大部分的粒子的轨道将闭合，如果对总体磁场进行最佳化设计，可以保证电浆的整体巨观稳定性。

文章插图
环形场与极向场合成的环形螺线输运损失和约束定标中心约束区电浆的能量主要通过输运过程和辐射逐渐损失，现在观察到的各种环形装置中的电浆的输运损失都反常地大(与经典碰撞输运相比)，并与位形特性和电浆参数有关。通常统观地用电浆的粒子约束时间τP和能量约束时间τE来描述电浆的总体约束特性，考察它们与位形特性和电浆参数间的关係，包括约束区的几何尺寸、磁场大小、电流大小及密度、温度等。这种关係称为定标律。确定定标关係是聚变实验和理论研究的主要目的之一。目前对托卡马克位形的定标关係了解得最为完整。其中一个重要现象是，当在欧姆加热基础上进一步採用中性束和波加热时，能量约束时间将随总加热功率的增大而按Pt-1/2的规律减小，通常条件下的这种约束定标称为L-模定标(即低约束定标) 。当对位形进行最佳化并改进器壁条件后，发现能量约束时间可以较上述L-模所确定的高几倍，通称H-模定标(高约束定标) 。托卡马克实验证实，可以用多种方式产生具有改善约束的位形，其中一些位形有可能将稳定比压值提高几倍，而输运损失减小几倍，从而使聚变反应堆的尺寸和其他工艺要求有所降低，最终大幅度降低反应堆的造价，使磁约束聚变的经济性大幅度提高。电浆与器壁相互作用及杂质控制良好的约束位形并不能完全避免电浆与物质材料(器壁、隔离孔阑、偏滤器靶板)接触，因而也不能避免杂质的产生和进入主约束区。但已经提出和实验研究了多种控制杂质的方案，包括採用偏滤器及控制边缘区电浆参数。要成功地长期运转聚变反应堆，还应解决中心约束区产生的热量的排放及氦灰的排除问题，这也是偏滤器应具有的功能。原则上，器壁材料和偏滤器靶板材料受电浆的作用会不可避免地受到损伤(材料的腐蚀)，但应设法减小腐蚀率。随着磁约束聚变研究进入到建造实验反应堆阶段，这类更具工程性质的课题已变得非常重要，成为大型装置研究的主要内容之一。磁约束研究的主要途径现有托卡马克、先进环形装置(仿星器)、反向场箍缩、球形环及串级磁镜等。