磁约束核聚变研究.ppt

磁约束聚变研究,王龙（退休金领取者） 2005/8 上海,磁约束聚变研究,聚变反应 磁约束聚变装置类型 主要物理和技术问题,核聚变反应,能源需求 聚变反应 点火条件 磁约束聚变研究历史 ITER 我国的磁约束聚变研究,,各种能源储量和可用年数 （按目前消耗水平）,,煤和DT聚变所耗燃料和产生废料对比 （一天提供109W电能）,聚变和裂变堆关闭后的放射性,聚变能对全世界总一次能源的贡献估计,核聚变反应,两核间位势曲线,每核子平均结合能曲线,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),主要聚变反应,聚变反应截面,几种聚变反应的比较,等离子体约束,聚变反应堆原理,聚变-裂变混合堆,核工业西南物理研究院设计的聚变-裂变混合堆,238U + n —> 239Pu,,点火条件:仅用反应产生的、约束在磁场内的α粒子维持反应所需的温度，而无须外加热。,,,,,Lawson判据:考虑到聚变反应所产生的所有能量经一定转换效率（一般设为1/3）返回加热等离子体，并考虑到轫致辐射损失，得到反应可持续下去的条件。,,,1952年，美国第一次Sherwood方案会议在Denver举行。在以后几年里，发展了仿星器、磁镜、箍缩等装置。 1957年，英国环形箍缩装置ZETA运行。 1958年，国际和平利用原子能会议在日内瓦召开。各主要国家将聚变研究解密。 1961年，IAEA第一次国际核聚变会议在萨尔茨堡召开。 1964年，苏联研制T-3装置，大半径1m，环向磁场2-2.5Tesla，电子温度达到600-800eV。 1968年，苏联在新西伯利亚会议上公布托卡马克上的结果。 1969年，英国Calham实验室的科学家携激光散射测量装置去苏联T-3装置实地测量，证实确实达到很高的电子温度。 1970年，各国开始建造自己的托卡马克。 1974年，美国公布角向箍缩装置Scyllac的结果。 1979年，美国串列磁镜TMX成功验证串列磁镜概念。,磁约束聚变研究历史,1985年，苏美首脑建议合作建造国际热核实验堆，即ITER 1989年，德国ASDEX实现H模运转。 1990年，ITER完成概念设计 1991年，欧洲的JET装置用DT反应产生1.7MW聚变功率。 1993年，美国TFTR装置用DT反应产生6.4MW聚变功率，后来又将这一功率提高到10.7MW。 1997年，JET又创造了DT反应产生16.1MW聚变功率的新记录。 1998年，日本JT-60装置的DD反应的实验参数的等效DT反应能量增益因子Q达到1.25。 ITER完成工程设计 2005年，参加ITER计划六方决定将装置建在法国,磁约束聚变研究历史（续）,磁约束和惯性约束聚变达到参数的进展 （和计算机比较）,托卡马克的进展 （和芯片、加速器比较）,托卡马克的进展,大半径 6.2 m 等离子体小半径 2.0 m 拉长比 1.85 环向磁场 5.3 T 等离子体电流 15 MA 辅助加热和电流驱动功率 73 MW 平均电子密度 1.1 X 1020 m-3 平均离子温度 8.9 keV 峰值聚变功率 500 MW,ITER主要参数,该装置的建造目的是： * 产生和研究，维持400秒的感应驱动燃烧等离子体 * 产生和研究，稳态非感应驱动燃烧等离子体 * 检验主要聚变堆技术 * 堆部件试验，包括氚处理   它所研究的燃烧等离子体物理问题有 * 高能粒子效应 * 自加热效应 * 堆尺度物理问题,,ITER将建在法国的Cadarache,ITER预计工程进展,,通往聚变之路,我国磁约束聚变研究机构的演变 （1958-2005）,1958年，中国科学院原子能研究所二部（现原子能科学研究院）开始磁约束聚变的研究。 中国科学院物理研究所，以及电工研究所、北京大学、复旦大学相继开展磁约束聚变研究。 1959年，原子能研究所建成脉冲磁镜《小龙》 第一届全国电工会议在北京召开。 1962年，卢鹤绂、周同庆、许国保《受控热核反应》出版。 第二届全国电工会议在哈尔滨召开。 黑龙江原子核研究所建成一台小型角向箍缩装置。 1965年，东北技术物理研究所（原黑龙江原子核研究所）与原子能研究所十四室合并，迁往四川乐山，称西南585所。 1966年，第三届全国电工会议在哈尔滨召开。,电工会议时期（准备阶段）,1969年，中科院物理所建成一台角向箍缩装置，并得到聚变中子。 1971年，西南585所的仿星器《凌云》建成。 1974年，中科院物理所和电工所成功研制CT-6托卡马克。 “受控核聚变研究工作交流会”在乐山召开。 1975年，中科院在安徽合肥筹建等离子体物理研究所。 西南585所超导磁镜装置303建成。 中国科学技术大学建立等离子体专业。 1980年，《核聚变》（《核聚变与等离子体物理》）创刊， 1981年，中国核学会核聚变与等离子体物理学会成立。 徐家鸾、金尚宪《等离子体物理学》出版。 1982年，项志遴、俞昌旋《高温等离子体诊断技术》出版。,文革和后文革时期（整合阶段）,1984年，核工业西南物理研究院研制成功HL-1环流器装置。同年，中科院等离子体物理所研制成功HT-6M托卡马克装置。 1988年，马腾才、胡希伟、陈银华《等离子体物理原理》出版。 1991年，中科院等离子体物理所建成超导托卡马克HT-7。 1994年，核工业西南物理研究院将HL-1改装成HL-1M。 1999年，石秉仁《磁约束聚变：原理和实践》出版。 英文刊物《Plasma Science & Technology》创刊。 2002年，核工业西南物理研究院建成HL-2A装置。 中科院物理所和清华大学合作，建成一台球形托卡马克SUNIST。 华中科技大学将美国的TEXT装置引进国内。 2005年，我国决定加入ITER。 中国科学院等离子体物理研究所建成超导托卡马克EAST。,改革开放时期（攀登阶段）,,我国第一个有偏滤器的环流器HL-2A,超导托卡马克EAST,EAST安装现场（2005/1）,我国的装置参数的地位,,我国本世纪核能发展战略,热中子 反应堆,快中子 增殖堆,聚变堆,,,,磁约束聚变装置类型,托卡马克 球形托卡马克 仿星器 磁镜 箍缩装置 球马克 内环装置,聚变装置类型在位形-时间平面上的分布,开端装置和环形装置,,,环形装置中的粒子漂移,梯度和曲率漂移,电漂移,,托卡马克装置的结构,,托卡马克的磁面结构 和极向磁通定义,安全因子定义,回转变换角 磁力线绕大环一周后绕小圆的角度,,磁力线绕小截面一周后在大环方向的环绕圈数,JT-60装置,环径比A=a/R 及其数值的发展,球形托卡马克（球形环，ST）,传统托卡马克和球形托卡马克（ST） 等离子体截面,两种装置中磁力线和粒子运动轨迹,,磁场利用因子和环径比的关系,START等离子体照片,,NSTX装置,,SUNIST装置 （清华大学，中科院物理所）,从所加磁场和比压值所做的分类（彭元凯）,,ST在世界上的分布,ST的特点,磁场能量利用率高 宏观稳定性好 可达到高的比压 未观察到破裂不稳定性 中心螺线管效率低 辐射问题严重,等离子体比压： 动力压强/磁压强,,,ST的非中心螺管启动,同轴螺旋注入,垂直场启动,传统托卡马克和ST装置及反应堆尺寸比较,美国中期大科学工程规划中的ST,,Plasma aspect ratio 1.60 Major toroidal radius (m) 3.20 Toroidal b 54 % Electron density (1020 /m3) 2.74 Plasma current (MA) 30.8 CD power to plasma (MW) 31 On-axis toroidal field (T) 2.14 Fusion power (MW) 2,860,ST聚变堆ARIES-ST设计,作为测试聚变堆部件中子源的 球形托卡马克设计CTF,仿星器结构和等离子体位形,W7AX仿星器位形,,大型螺旋器LHD及其等离子体照片,,仿星器所达到的等离子体参数,紧凑型仿星器NCSX的位形和成形线圈（2007年运行）,下一步：球形仿星器（A < 3.5）,磁镜装置,简单磁镜 标准磁镜 串列磁镜,,,磁矩守恒,阴阳线圈产生最小B磁场,,越飞棒,垒球线圈,阴阳线圈,,,串列磁镜,串列磁镜TARA工作原理,串列磁镜TARA外形,箍缩（pinch）类装置,Z箍缩,直线 角箍缩,环形 角箍缩,反场箍缩,Z箍缩,,,,,,,,发展思路,Z箍缩工作原理,直线角向箍缩装置(θ-pinch ),,反场箍缩装置中的磁场分布,用同轴枪产生Z箍缩,Z箍缩的应用,核聚变 X射线和中子源 X射线激光器 脉冲强磁场,球马克（sphromak）位形,球马克SSPE截面,悬浮环装置,LDX,OCTOPOLE,主要物理问题,平衡 宏观不稳定性 输运 约束 辅助加热和电流驱动 粒子约束、杂质、加料和排灰,,,环形系统的Grad-Shafranov方程,用垂直场平衡托卡马克等离子体的道理,内侧分支点决定极向比压值R/a,环形装置主要宏观不稳定性,,扭曲模/内模的稳定区域,,撕裂模的形成,磁岛位形,2/1和3/2磁岛的生成和联结,MHD不稳定性的发展,,好曲率和坏曲率,,Mirnov振荡,,HT-7装置上一种特殊的Mirnov振荡,不同振荡模式的出现,锯齿振荡现象,破裂不稳定性,破裂及相关效应,欧姆加热的新Alcator定标率,,密度提高时会达到极限,等离子体输运,经典输运系数：,扩散系数,离子热扩散率,电子热扩散率,托卡马克的实际输运系数远远大于经典值,,新经典输运： 考虑到约束粒子（香蕉轨道）的贡献,新经典输运系数,约束粒子产生的自举电流,压强梯度驱动的环向电流,一个磁面两侧的约束粒子轨道,新经典磁岛,反常输运和微观不稳定性,新经典输运仍不能解释高的输运系数，称为反常输运。反常输运来自微观不稳定性。,微观不稳定性：λ~ρi，f >100 kHz Δω ~ ω, Δk ~ k,分类：静电微观不稳定性 电磁微观不稳定性,涨落如何引起粒子损失？,垂直方向电场：,引起漂移速度,产生的粒子流,磁面平均,第2，3项为0，如果存在相关，第4项不为0,等效扩散率：,静电漂移波产生原理,影响托卡马克输运的主要不稳定性,模是一种离子温度驱动模ITG，,环形装置中湍流的粒子模拟,等离子体约束,ASDEX上的L-H模转换,H模能量约束时间较L模高两个量级,改善约束模式,边缘输运垒（ETB） H模 内部输运垒（ITB） 反剪切位形 VH模 高li模,边缘输运垒共同特征,Hα或Dα辐射减弱 边缘粒子流下降 边缘密度涨落减弱 边缘磁场涨落减弱 边缘电场梯度上升,H模的特点,鲁棒(robust) 对壁条件要求不高 中心区密度轮廓平 高密度有良好约束,已在托卡马克、串列磁镜、仿星器、球形环上实现,实现H模的方法,电子回旋波 离子回旋波 中性粒子束注入 低杂波注入 偏压孔栏,DIIID上的反剪切位形,Tore-Supra上低杂波驱动产生反剪切位形,JT60U的内部输运垒,DIIID上的高内感实验,旋转剪切对相干结构的解耦,CT-6B装置上的相干结构,改善约束的机制,带状流（Zonal flow）在L-H转换中的作用,,辅助加热和电流驱动,Spitzer电阻率公式,对于6Tesla的磁场，可以得到3.6keV的最高温度,必须采取辅助加热才能满足聚变反应要求,主要辅助加热方式,磁化等离子体内电磁波的色散关系,平行方向： 左旋波 右旋波,垂直方向： 寻常波（O模） 非常波（X模）,粒子约束、杂质、加料和排灰,粒子输运,,加料方法： 1，吹气 2，弹丸注入 3，超声分子束注入（姚良骅教授） 4，等离子体团注入,杂质辐射率,弱场侧和强场侧的颗粒注入实验（ASDEX）,ITER的偏滤器设计,没有了 感谢光临,