磁约束
一． 概述
众所周知，以一定速度进入均匀磁场中的带电粒子作螺旋线运动。进入非均匀磁场中的带电粒子将如何运动呢？现以典型的喇叭形磁场为例，用一种简明的方法进行分析，阐明了磁约束的基本原理及其在核聚变中的重要应用。 二． 带电粒子在喇叭形磁场中的运动 常见的典型的喇叭形磁场如图15-1所示。
为了方便起见，设图15-1示的磁场是关于Z 轴对称的空间缓变的；喇叭形磁场，它可用下表示
其中 为常数， 和 分别为柱坐标系中Z 轴和径向方向的单位矢量，a 是一个微小的参数，它表达了 随Z
和r 的缓慢变化。
电荷为q ，质量为m 的粒子以一定速度 （假定
之大小远小于真空中的光速）
进入图15-1所示的磁场中，它将如何运动呢？
现将带电粒子的速度分解为平行于的纵向分量与垂直于的横向分量
。
带电粒子在
的z 分量
作用下，类似
于在均匀磁场中的带电粒子作螺旋线运动。但由于
随Z 增大而增强，其回旋
半径将逐渐减小，因此带电粒
子的轨道是一条会聚螺旋线，如图15-2
所示。
磁场的径向分量虽小，但对带电粒子的运动产生十分重要的作用，出现了十分有趣的特征。由径向磁场产生的洛仑兹力为：
（2）
其中使带电粒子的横向速度之大小增加，因由
于的空间缓变,甚微，所以为圆柱坐标系中
方向的单位矢量）。
（2）式中第二项以表示，即：
（3）
(3)式所示之分力与方向相反，将使减小。可见磁场使带电粒
子的增加，减小。然而在稳定的磁场中运动的带电粒子的总动能是不变的。即：
常数（4）
从（4）式出发，由的变化可找出带电粒子横向速度的变化规律。今将（4）式对时间求导数得：（5）
其中
故:
（6）
由（1）式知
显然
将此和 r之值代入（6）式得：
（7）
考虑到喇叭形磁场的空间缓变，即在一个周期内，带电粒子完成一个回旋轨道，
在此空间范围内，可以认为磁场是不变的。从数字上看，因此（7）式可写为：
（8）
即
（9）
积分（9）式得：
（10）
（10）式中C为积分常数。
（10）式说明：带电粒子在Z轴对称的空间缓变磁场中运动的横向速度的平方与磁感应强度的大小之比是一个常数。亦即带电粒子的横向动能与磁感应强度大小之比是一个运动常数。（10）式揭示了带电粒子在喇叭形磁场中运动的几个重要特点。
1．螺旋线半径r随的增大而减小，是一条会聚螺旋线。
根据（10）式，螺旋线半径可表示为
(11)
(11)式说明螺旋线半径r与成反比，B增大，r减小，是一条会聚螺旋线。
2．带电粒子的“轨道磁通量”，始终保持不变（横向约束）。
带电粒子的“轨道磁通量”是指带电粒子一次回旋的轨道围成的曲面上通过的磁感应线数目。即：
（12）
（12）式说明：是一个不变量，即带电粒子将约束在这样一个曲面上运动，
使得所包围的磁感线的数目始终保持不变，这就是磁场对带电粒子的一种横向约束。
3．带电粒子受到指向磁场较弱方向的分力，此分力可使带电粒子沿磁场强的方向的运动被抑止而反回（纵向约束）。
带电粒子的纵向速度随的增强而减小，当0 时，带电粒子受到
作用开始返回。
假设带电粒子在磁感应强度为处以速度射入喇叭形磁场，且与磁场轴的夹角为，则，根据（10）式有:
则
（13）
（13）式说明：当磁场增强到时，带电粒子的开始返回。带电粒子的这种运动方式就好像光线遇到镜面发生反射一样。因此通常把这样由弱到强的磁场结构叫磁镜。这种磁镜实现了对带电粒子纵向运动的约束。
三．核聚变与等离子体的磁约束
能源开发是人类生活的一个重要课题，20世纪上半世纪发现了重核裂变，裂变能很快就成为一种重要能源。但是地球上的铀和钍等裂变燃料的储量有限，所以能源问题是一个急待解决的问题。地球上2/3的面积是海洋，海水中含有大
量的氘（每升海水含0.146克的重水，可分离出氘0.03克）如能使海水
中提炼出来的氘发生聚变，则可放出大量的能量（1克氘可放出约千瓦小时
的能量），所以若能利用氘核的聚变能来为人类造福方面将用之不尽取之不竭。要利用氘核的聚变能首先必须把氘核加热到很高的温度，使氘核在高速度的无规则热运动下彼此连续碰撞，从而产生大量的聚变，这种由于原子核的热运动而产生的聚变反应，称为“热核反应”。要使氘核彼此碰撞而聚变，它们的热运动能量必须足以克服库仑位垒。当两个氘核彼此碰撞时，它们之间的库仑势能为
（14）
其中R为氘核半径。根据实验资料，核半径R与原子核质量数A的次方成
正比。即，约为1.1~米,对于氘核
米,A=2,则W为
(焦耳)
因此,氘核的热运动能量( KT)要等于W时才能发生聚变。
(K) ,
这要求氘核的温度T (K),在这样的高的温度下,气体已离化成原子核与电
子的集合体,这种集合体称为等离子体。
从目前工作来看,解决加热问题,大致有以下几个途径：①在等离子体中通以强大电流,产生焦耳热使气体温度提高,称为欧姆加热。②对等离子体作绝热压缩,对它作功使温度升高。③先用加热器加速氘核,使其能量超过热核反应所需的能
量,再将它射入等离子体触发热核反应。④用激光引爆来加热聚变物质.现在这些方法都在试用,也有把几种方法一起联合使用的。
一旦聚变物质被加热到K,在这样的高温下,若等离子体一旦与任何容器接
触,器壁将立刻气化,从而等离子体很快冷却.因此要想法把高温等离子体约束
起来.目前在大多数受控热核反应的实验装置里是利用磁场来约束等离子体。图15-3就是一种用来约束等离子体的磁镜装置。用两个电流方向相同的线圈产生一个中央弱两端强的磁场结构,对其中热等离子体来说,相当于两端各有一面磁镜。由（13）式，热等离子体的纵向运动被磁镜反射，即等离子体到达图书15-3
右端线圈附近，由于磁场增强到可使，又等离子体受到一个指向磁场
减弱方向的力，故等离子体就会向左边运动；当等离子体旋进到左端线圈附近，同样会被反射。这样就实现了磁场对热等离子体的纵向约束，另一方面由（12）式知，热等离子体的横向运动也受到约束。所以图15-3所示的磁场结构就象“磁笼”把热等离子体约束在其中，进行“热核反应”。
磁约束
一． 概述 众所周知，以一定速度进入均匀磁场中的带电粒子作螺旋线运动。进入非均匀磁场中的带电粒子将如何运动呢？现以典型的喇叭形磁场为例，用一种简明的方法进行分析，阐明了磁约束的基本原理及其在核聚变中的重要应用。 二． 带电粒子在喇叭形磁场中的运动 常见的典型的喇叭形磁场如图15-1所示。 为了方便起见，设图15-1示的磁场是关于Z 轴对称的空间缓变的；喇叭形磁场，它可用下表示 其中 为常数， 和 分别为柱坐标系中Z 轴和径向方向的单位矢量，a 是一个微小的参数，它表达了 随Z 和r 的缓慢变化。 电荷为q ，质量为m 的粒子以一定速度 （假定 之大小远小于真空中的光速） 进入图15-1所示的磁场中，它将如何运动呢？ 现将带电粒子的速度分解为平行于的纵向分量与垂直于的横向分量 。 带电粒子在 的z 分量 作用下，类似 于在均匀磁场中的带电粒子作螺旋线运动。但由于 随Z 增大而增强，其回旋
半径将逐渐减小，因此带电粒 子的轨道是一条会聚螺旋线，如图15-2 所示。 磁场的径向分量虽小，但对带电粒子的运动产生十分重要的作用，出现了十分有趣的特征。由径向磁场产生的洛仑兹力为： （2） 其中使带电粒子的横向速度之大小增加，因由 于的空间缓变,甚微，所以为圆柱坐标系中 方向的单位矢量）。 （2）式中第二项以表示，即： （3） (3)式所示之分力与方向相反，将使减小。可见磁场使带电粒 子的增加，减小。然而在稳定的磁场中运动的带电粒子的总动能是不变的。即： 常数（4） 从（4）式出发，由的变化可找出带电粒子横向速度的变化规律。今将（4）式对时间求导数得：（5） 其中
磁约束核聚变关键能量转换部件的磁流体力学探究
磁约束核聚变关键能量转换部件的磁流体力学探究 【摘要】新科技革命的到来，现代工业化生活所耗费的能量大部分来源于不可再生能源，这些能源非常有限，一旦耗尽，世界将会面临一场关于能源短缺的浩劫。近年来我国的磁约束核聚变用于工程技术研究和物力体力学研究方面取得了相当可观的成绩，该技术在很大程度上可以解决能源危机问题。本文详细阐述了磁约束核聚变的相关概念，分析了磁约束聚变与关键能量转换部件装置类别，重点介绍了核聚变反应堆以及磁流体力学实践运用。 【关键词】磁约束核聚变；磁流体力学；关键能量转换部件 0.引言 当今世界，无论是工业生产还是日常生活，所用到的能源绝大部分是来源于不可再生的化石燃料资源，这些不可再生的资源非常有限，现今许多国家正面临严峻的能源短缺问题。因此，核聚变能的运用在解决能源危机问题方面意义重大。磁约束核聚变作为可控核聚变的种类之一，在克服核聚变反应物的缺陷时又能够保证散发出强大的能源供应，目前世界各国相继投入了对磁约束核聚变的研究，陆续建立了不同磁场位置和形体的实验装置，重点研究磁约束核聚变关键能量转换部件的磁流体力学。 1.磁约束核聚变概念分析 磁约束核聚变是一种结合磁场引力和高热等离子体能量来实现核聚变反应的高科技，这个步骤的具体做法是，首先对已知燃料进行加热处理，让燃料变成等离子体形态，然后利用磁场引力的作用，抑制住高热等离子中的带电粒子，让带电粒子呈现螺旋状线性运动，最后对等离子体进行再次高温加热，直到发生核聚变反应。 2.磁约束聚变与装置类别分析 在20世纪六、七十年代，磁约束等离子燃烧核聚变研究已经经过了多次尝试和研究，依然取得了许多突破性的进展，世界各国相继创建了许多种功能各异、花样繁多的用于实现磁约束等离子燃烧核聚变反应的科学实验装置，主要有托卡马克、多极场、仿星器、磁场镜等不同磁场位形的装置[1]。这些高科技试验装置的创建目的就是为了研究使磁约束等离子体的稳定性发生改变以及能量损耗的形成原理，并力图寻找出克服高温等离子体不稳定性和能量损耗的方法。为实现磁约束核聚变反应常用的装置是托卡马克装置，这个装置主要起到引流、等离子高温加热等作用，与其它装置相比较而言，托卡马克污染较少、安全性更高、运行稳定等优势。托卡马克是一种圆状环形强力磁场装置（如图1所示），由于其结构造型特殊，圆状环形的强力磁场以及极向磁场的相对稳定作用，使得高温等离子体的稳定性加强，抑制高温等离子体中带电粒子的消耗，并且通过高温等离子体中的带电粒子实现对等离子体的抑制、稳定以及运动方向等方面的控制，采用中性束摄入以及高温频率波加热装置对等离子体进行控制，将等离子体中带电粒子电流维持在未消耗状态。目前托卡马克已经成为磁约束反应研究的重点使用装置，并将成为最有可能实现核聚变反应走向商业化运作的有效途径。
等离子体的磁约束原理
等离子体的磁约束原理 张玉萍 在辉光放电、弧光放电的阳极柱里，气体处在高度电离状态，但是其中正、负电荷密度几乎相等，这时的系统同普通的气体有明显的区别，1929年，美国的朗默尔（Langmuir）将它取名为“plasma”，译名为“等离子体”。在热核反应的高温（约在几百万开甚至一亿开左右）下，物质处于等离子态，但在热核反应的高温下，任何固体材料的容器早已熔毁，而且散热的速度随温度的升高而急剧增加。目前在大多数受控热核反应的实验装置里用磁场来约束等离子体，使之脱离器壁并限制它的热导。下面简单介绍等离子体磁约束的原理。 我们知道，带电粒子的速度v和磁感强度B成任意夹角时，此带电粒子在磁场中作螺旋线运动，且回旋半径R与磁感强度B成反比，磁场越强，半径越小，这样一来，在很强的磁场中，每个带电粒子的运动便被约束在一根磁感线附近的很小的范围内（右图），也就是说，带电粒子回旋轨道的中心（也叫引导中心）只能沿磁感线纵向移动，而不能横越它，只有当粒子发生碰撞时，引导中心才能由一根磁感线跳到另一根磁感线，因此，强磁场可以使带电粒子的横向输运过程（如扩散、热导）受到很大的限制。
实际问题中，例如受控热核反应，不仅要求引导中心受到横向约束，也希望有纵向约束。下述磁镜装置便能限制引导中心的纵向移动。如上图（a）所示，两个电流方向相同的线圈产生中央弱两端强的不均匀磁场，当处于中间区域的带电粒子沿着z轴向右运动时，设粒子带正电荷q， 速度v沿z轴，如图5-2（b）所示，粒子受到洛伦兹力 B v? q作用，使粒子向着如上图（b）所 示方向（垂直屏幕向里）偏转，可见粒子将获得绕轴旋转的运动速度θv（图中用?代表其方向），随着粒子分速度θv的出现，又将受到洛伦兹力F的作用，其径向分量r F使粒子向轴线偏转，轴
国家磁约束核聚变能发展研究专项
国家磁约束核聚变能发展研究专项 项目申请书 项目名称： 申报单位： 项目负责人： 申报日期： 1
中华人民共和国科学技术部制 2
项目摘要（1,000字左右） 简述开展项目研究的重要性和必要性、拟解决的关键问题、主要研究内容和目标、课题设置。 申请书正文（不超过30,000字） 一、立项依据 开展项目研究的重要性和必要性。 二、国内外研究现状和发展趋势 国际最新研究进展和发展趋势，国内研究现状和水平，相关研究工作取得突破的可能性等。 三、拟解决的关键科学技术问题和主要研究内容 详细阐述围绕国家磁约束核聚变能发展研究专项任务所要解决的科学技术问题。主要研究内容要围绕关键问题，系统、有机地形成一个整体来详细阐述，重点要突出，避免分散或拼盘现象。 四、阶段性目标和总体目标 详细阐述项目的总体目标和阶段性目标，要有具体、可考核的考核指标。 3
五、总体研究方案 结合主要研究内容阐述学术思路、技术途径及其创新性，与国内外同类研究相比的特色和取得突破的可行性分析等。 六、课题设置 围绕项目所要解决的关键问题、研究重点和预期目标合理设置课题。说明课题设置的思路、各课题间的有机联系以及与项目预期目标的关系；详细、具体叙述各课题的名称、主要研究内容和目标、承担单位、课题负责人及主要学术骨干和经费比例等。 七、现有工作基础和条件 1. 项目承担单位在所申报项目相关研究方面的工作基础和取得的主要研究成果。 2. 项目实施所具备的工作条件，包括实验平台和大型仪器设备等，国家实验室、国家重点实验室和重大科学工程等重要研究基地在项目中所起的作用等。 3. 项目申报单位近五年承担的与所申报项目直接相关的国家科技计划重大、重点项目的完成情况，与所申报项目的关联和 4
会切磁瓶探析—磁场位形为磁阱的新型磁约束装置
Nuclear Science and Technology 核科学与技术, 2016, 4(1), 7-16 Published Online January 2016 in Hans. https://www.360docs.net/doc/1b18530572.html,/journal/nst https://www.360docs.net/doc/1b18530572.html,/10.12677/nst.2016.41002 Exploration and Analysis of the Cusp Magnetic Bottle —New Magnetic Confinement Device with Configurations as Magnetic Trap Shuqin Tian Qiandian Station of Shenyang Railway, Fushun Liaoning Received: Jan. 4th, 2016; accepted: Jan. 26th, 2016; published: Jan. 29th, 2016 Copyright ? 2016 by author and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). https://www.360docs.net/doc/1b18530572.html,/licenses/by/4.0/ Abstract The cusp magnetic bottle is a magnetic confinement device constituted by magnets on each vertex of the regular polyhedron. The internal magnetic field configuration is an ideal magnetic trap with the bottom magnetic induction intensity of zero, which could reach up to the limit value defined by the trap depth. The changing curve of magnetic induction intensity has indicated that, the magnet-ic induction intensity difference for cusp magnetic bottle of regular dodecahedron is over 20 times greater than that for softball seal coil of same volume and that the cusp magnetic bottle has a larger space to expand. The constraint theory of plasma by the cusp magnetic bottle is to rely on the magnetic trap and magnetic confinement theory indicates that, only magnetic trap configura-tion can truly achieve the stable confinement of plasma. Tokamak or magnetic mirror is to rely on the adhesion of particles of electricity on magnetic line of force. However, it has all kinds of ma-croscopic and microcosmic instabilities from both theoretically and practically. These instabilities would no long exist in the cusp magnetic bottle. From the constitution of cusp magnetic bottle, the materials, operation, structure, flexibility, expansibility and other aspects all indicate that the cusp magnetic bottle is far superior to traditional magnetic confinement devices. Keywords Cusp Magnetic Bottle, Magnetic Trap, Cusp Field, Magnetic Confinement 会切磁瓶探析 —磁场位形为磁阱的新型磁约束装置
磁流体力学数值方法及其在磁约束聚变中的应用-LSEC
磁流体力学数值方法及其在磁约束聚变中的应用 （2018年7月16日-17日） 倪明玖研究员 中国科学院大学 本系列课程主要介绍求解三维不可压磁流体动力学问题的有限体积法，主要围绕磁约束聚变反应堆关键部件研发，介绍液态金属磁流体力学的计算方法及应用。课程内容主要包括： － 磁约束聚变反应堆关键部件研发涉及的液态金属磁流体力学的研究背景 － 不可压流体的Navier-Stokes方程，介绍投影法及源项的处理方法 － 磁流体力学的一种精确计算方法-相容守恒格式 － 自由界面MHD，固体颗粒两相流MHD，湍流MHD，介绍其基本算法及具体应用。 授课老师简介 倪明玖，1997年获西安交通大学博士学位，1999-2001年为日本京都大学JSPS（日本学术振兴会）博士后，2001-2007年在美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）从事磁约束聚变相关的磁流体力学研究，2007年起为中国科学院大学教授。曾获国家杰出青金科学基金和中国科学院“百人计划”支持，为磁约束聚变能专项项目首席，基金委重点基金项目负责人。研究方向：磁流体力学、计算流体力学、多相流传热、核聚变工程技术。
不可压磁流体动力学方程组的混合有限元方法 （2018年7月18日-21日） 郑伟英研究员 中国科学院数学与系统科学研究院 本系列课程主要介绍求解三维不可压磁流体动力学方程组的混合有限元方法及高效求解算法，重点关注有限元方法的守恒型和求解算法的最优性。课程内容主要包括： － Stokes 方程和不可压 Navier-Stokes 方程的有限元方法； － 无感应磁流体方程组的电荷守恒型有限元方法； － 完整磁流体方程组的质量、磁通守恒有限元方法； － 基于算子预处理，设计离散问题的高效求解算法。 授课老师简介 郑伟英，研究员，1996年和1999年于郑州大学分别获数学学士、硕士学位；2002年于北京大学获计算数学博士学位，2002.7-2004.6年为中科院数学与系统科学研究院博士后；2006.11—2007.12为德国慕尼黑科技大学（TUM）洪堡基金访问学者；2004年6月以来在中科院数学与系统科学研究院工作至今；现任研究员，“科学与工程计算国家重点实验室”副主任；2017年获国家杰出青年科学基金资助。主要从事复杂介质电磁场问题、不可压磁流体问题的算法研究与并行程序研制，曾在大型变压器的可计算建模、分层介质电磁散射问题的完美匹配层方法、三维磁流体的守恒型有限元方法等方向取得重要进展。
磁约束聚变现状研究汇总
1 前言 能源是社会发展的基础，化石燃料不仅储量有限，而且会造成严重的生态环境破坏和污染，预期200多年后，人类将面临严重的能源枯竭问题，因此，必须 尽快完成战略新能源的开发研究。在一系列的新能源中，核聚变能是最理想的清洁新能源。 核聚变反应包括氘氚反应、氘氦反应、氢硼反应等，其中氘氚反应在地球上最易实现，因其反应资源存在于海水中，一旦实现受控热核聚变，海水将成为人类取之不尽用之不竭的资源。这需要氘或氚，在一定条件下(如超高温和高压)让核外电子摆脱原子核的束缚，让两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核(如氦)，中子虽然质量比较大，但是由于中子不带电，因此也能够在这个碰撞过程中逃离原子核的束缚而释放出来，大量电子和中子的释放所表现出来的就是巨大的能量释放。 2 惯性约束聚变装置简介 现有的可控核聚变约束手段主要有两种，一种是惯性约束，一种是磁约束。 惯性约束是指利用粒子的惯性作用来约束粒子本身，从而实现核聚变反应的一种方法。其基本思想是:利用驱动器提供的能量使靶丸中的核聚变燃料(氘、氚)形成等离子体，在这些等离子体粒子由于自身惯性作用还来不及向四周飞散的极短 时间内，通过向心爆聚被压缩到高温、高密度状态，从而发生核聚变反应。该项 研究主要在美国的国家点火装置（NIF），中国的神光-Ⅲ主机装置，如图1所示。 (a)
(b) 图1 (a)国家点火装置 (b)神光-Ⅲ主机装置 美国的国家点火装置位于加利福尼亚州的利弗莫尔国家实验室，在过去的一段时间里，其工作人员一直致力于将192束激光集中于一个花生米大小的、装有氢粒子的目标上。当能量为500太瓦的激光撞击到装有氢粒子的目标上后，会产生X光粒子，使得重氢原子和超重氢原子产生聚变，这种聚变使得少量物质转变为巨大能量。但由于技术问题，该项目在2012年末将工作重点由聚变能研究领域重新转回到核武器试验上。 我国的“神光-Ⅲ主机装置”，已在2015年由中物院基本建成。作为亚洲最大，世界第二大激光装置，神光-Ⅲ主机装置共有48束激光，总输出能量为18万焦耳，峰值功率高达60万亿瓦。 3 磁约束聚变装置简介 磁约束聚变是指用特殊形态的磁场把氘、氚等轻原子核和自由电子组成的、 处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限的体积内，使它受控制地发生大量的原子核聚变反应，释放出能量。 自上个世纪60年代中期以来，各国科学家先后建成的磁约束装置包括托卡 马克、仿星器、反场箍缩、磁镜、多级场等。 3.1 托卡马克 托卡马克，是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字Tokamak 来源于环形、真空室、磁、线圈，最初是由位于前苏联莫斯科的库尔
磁约束实验报告
南昌大学实验报告 磁约束核聚变装置控制虚拟仿真实验报告 一、实验目的 （1）理解磁约束核聚变的基本原理； （2）熟悉托克马克实验装置控制的一般操作流程； （3）了解托克马克实验装置的一般平衡磁场位型、等离子体密度分布和温度分布的特征图像； （4）了解托克马克实验装置L 、H 模式下等离子体的密度和温度分布区别。 二、实验仪器 磁约束核聚变装置控制虚拟仿真实验系统：主要包括NCST 装置（南昌大学球马克实验装置模型）、抽真空系统、中央控制系统、电源系统、加料系统、磁场电源控制器、等离子体加热系统、磁场诊断探针、激光汤姆逊散射诊断系统、诊断数据采集器、数据处理系统等软件操作模块。 三、实验原理 托卡马克是一环形装置。欧姆线圈的电流变化提供产生、建立和维持等离子体电流所需要的伏秒数；极向场线圈产生的极向磁场控制等离子体截面形状和位置平衡；环向场线圈产生的环向磁场保证等离子体的宏观整体稳定性；环向磁场与等离子体电流产生的极向磁场一起构成磁力线旋转变换的和磁面结构嵌套的磁场位形来约束等离子体。在托卡马克装置上，已可通过大功率中性束注入加热和各种微波加热使等离子体达到和超过氘一氚有效燃烧所需的温度(>10K)。研究表明加大装置尺寸，约束时间大致按尺寸的平方增大。此外，还可通过提高环向磁场、优化约束位形和运行模式来提高能量约束时间。 高温等离子体被约束在不与真空室壁相碰的位置上，在约束过程中存在大量不稳定性、热传导损失和辐射损失等，在约束控制过程中需要不断诊断等离子体参数，抑制各种导致等离子体破裂的不稳定性发展，同时通过各种辅助加热使反应堆的输入和输出整体功率平衡，满足等离子体的点火条件，即著名的劳森判据： 2032210/E E p n T sK m ττ=≥?， （1） 才能实现等离子体的自持燃烧，其中n 和T 分别为约束等离子体密度和温度，E τ为等离子体能量约束时间，即等离子体能量由于热传导下降到1 e -的弛豫时间。从点火条件可知，T 的最小值和相应的E p τ值为：
国家磁约束核聚变能发展研究专项2019年度项目申报指南
国家磁约束核聚变能发展研究专项 2019年度项目申报指南 （征求意见稿） 聚变能源由于资源丰富和近无污染，成为人类社会未来的理想能源，是最有希望彻底解决能源问题的根本出路之一，对于我国经济、社会的可持续发展具有重要的战略意义，是关系长远发展的基础前沿领域。 本专项总体目标是：在“十三五”期间，以未来建堆所涉及的国际前沿科学和技术目标为努力方向，加强国内与“国际热核聚变实验堆”（ITER）计划相关的聚变能源技术研究和创新，发展聚变能源开发和应用的关键技术，以参加ITER计划为契机，全面消化吸收关键技术；加快国内聚变发展，开展高水平的科学研究；以我为主开展中国聚变工程试验堆（CFETR）的详细工程设计，并结合以往的物理设计数据库在我国的“东方超环”（EAST）、“中国环流器2号改进型”（HL-2M）托卡马克装置上开展与CFETR物理相关的验证性实验，为CFETR的建设奠定坚实科学基础。加大聚变技术在国民经济中的应用，大力提升我国聚变能发展研究的自主创新能力，培养并形成一支稳定的高水平聚变研发队伍。
2019年，本专项将以聚变堆未来科学研究为目标，加快国内聚变发展，重点支持高水平的科学研究、理论与数值模拟研究、CFETR关键技术预研及聚变堆材料研发等工作，继续推动我国磁约束核聚变能的基础与应用研究。 按照分步实施、重点突出原则，2019年拟优先支持14个方向，国拨总经费4.0亿元。指南方向1~10，每个指南方向拟支持1~2个项目。指南方向11~14支持35岁以下青年科学家开展相关研究，每个指南方向拟支持5个项目。 本专项的项目执行期一般为5年。原则上所有项目应整体申报。指南方向1~10项目须覆盖相应指南研究方向的全部考核指标，下设课题数不超过4个，每个项目所含单位数不超过6个。指南方向11~14的项目下不设课题。 对于指南方向1~10，原则上只立1项，仅在申报项目评审结果相近、技术路线明显不同的情况下，可同时支持2个项目，并建立动态调整机制，根据中期评估结果确定后续支持方式。 申报单位根据指南支持方向，面向解决重大科学问题、突破关键技术及建立规模化资源共享平台进行整体设计、合理安排课题；项目负责人应具备较强的组织管理能力。 1.面向聚变堆高比压放电破裂预警、控制与缓解研究 研究内容：针对未来ITER、CFETR运行模式，依托HL-2A/M和EAST装置，在高性能等离子体（ N>2.8）和
核科学技术术语 第9部分：磁约束核聚变(标准状态：现行)
I C S27.120.01 F40 中华人民共和国国家标准 G B/T4960.9 2013 核科学技术术语 第9部分:磁约束核聚变 G l o s s a r y o f n u c l e a r s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y t e r m s P a r t9:M a g n e t i c c o n f i n e m e n t f u s i o n 2013-02-07发布2013-07-01实施中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
目次 …………………………………………………………………………………………………………前言Ⅲ1范围1………………………………………………………………………………………………………2磁约束核聚变1……………………………………………………………………………………………2.1基础1 …………………………………………………………………………………………………2.2工程27 …………………………………………………………………………………………………2.3诊断40 …………………………………………………………………………………………………2.4聚变堆43 ……………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………索引49汉语拼音索引49……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………英文对应词索引63
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，磁流体力学等离子体的 速度分布函数服从福克－普朗克方程。1936年给出方程中 1938年苏联的A.A. 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 刘维定理出发，得到了不封闭的方程组系列，名为BBGKY链
磁约束原理与运用.
班级02321101 学号1120110436 姓名张鹏杰 磁约束原理与运用 [摘要]众所周知，以一定速度进入均匀磁场中的带电粒子作螺旋线运动。进入非均匀磁场中的带电粒子的运动轨迹是一条会聚的螺旋线。运用这一原理可以将热核反应中的等离子体约束在实验装置内从而实现可控的核聚变，为寻找新能源开辟蹊径。 [关键词]磁约束，等离子体，受控核聚变，能源 一、磁约束原理 带电粒子在磁场中沿螺线运动，回旋半径R与磁感应强度B成反比。在很强的磁场中，每个带电粒子的活动便被束缚在一根磁感线附近的很小范围内，只能沿磁感线做种纵向运动。 在热核反应的高温下，物质处于等离子态，有带电粒子组成，而由于上述原因，强磁场可以使带电粒子的横向输运过程受限。 在纵向，同样可以利用磁约束对粒子的运动加以限制。带电粒子的圆周运动可被等效视作通电线圈。设带电粒子的带电量为q，回旋频率为υ，回旋半径为R，则等效线圈中的电流I=q υ，面积S=，磁矩M=IS=qυ2π。对于在磁场中的回旋运动，可知υ=，R=，于是有： M== 理论上可以证明，在梯度不是太大的非均匀磁场中，带电粒子的磁矩M是个不变量。亦即，当带电粒子由较弱的磁场区进入较强的磁场区时（B增加），它的横向动能要按比例增加。然而由于洛伦兹力是不做功的，带电粒子的总动能不变，则纵向动能即纵向速度就要减小，甚至为零。通常将这种由弱到强的磁场位形叫做磁镜。如右图，两个同向通电线圈产生中间弱两边强的磁场位形，带电粒子在横向受到磁场约束，在纵向则在两线圈中来回反射，从而达到约 束的目的。不过，一部分纵向动能较大的粒子仍然有可能从磁镜两端逃出。而采用右图所示的环形磁约束结构则可避免这种情况。这种结构也是下面将要提到的托卡马克装置的基本结构。
磁场专题(磁约束,旋转圆)
带点粒子在磁场和复合场中的运动专题 一、复合场中有约束的直线运动 1、如图所示，一个带负电的滑环套在水平且足够长的粗糙绝缘杆上，整个装置处于方向如图所示的匀强磁场B 中．现给滑环一个水平向右的瞬时速度，则滑环在杆上的运动情况可能是( ) A ．始终做匀速运动 B ．先做减速运动，最后静止在杆上 C ．先做加速运动，最后做匀速运动 D ．先做减速运动，最后做匀速运动 2、如图所示为一个质量为m 、带电量为+q 的圆环，可在水平放置的粗糙细杆上自由滑动，细杆处于磁感应强度为B 的匀强磁场中，圆环以初速度v 0向右运动直至处于平衡状态，则圆环克服摩擦力做的功可能为 （ ） A ．0 B ． C ． D ． 3、如图所示，一个带负电的滑环套在倾斜且足够长的粗糙绝缘杆上，u
李正武我国受控磁约束核聚变的奠基人
第17卷 第1期核聚变与等离子体物理V ol.17,No.11997年3月N uclear F usion and Plasma Physics M arch 1997李正武我国受控磁约束核聚变的奠基人 尚振魁1 邓希文o 钱尚介 ? (核工业西南物理研究院,成都610041)李正武先生,解放前去美国。1955年,经周恩来总理在日内瓦与美方严正交涉,被羁留在美的中国学者获准回国。李正武先生热爱新中国,放弃了在美职位与优越的生活条件,偕夫人孙湘先生,携出生仅二个月的幼子,与著名学者钱学森等同船返回祖国。 李正武先生早年从事轻核反应实验研究。在美期间,他解决了直接由核反应循环精密地自洽测定质量数从1至35所有轻原子核质量的问题,并由此得出当时最精确的爱因斯坦质量能量转换系数实验值。爱因斯坦质量能量转换关系被认为是整个物理学中也是自然界最根本的一个规律,同时也是原子能(核能)的基础。在同一时期,他进行了太阳物理方面的研究,成为后来提出热核聚变研究的先导。 李正武先生回国不久,正值我国着手制订“十二年科学技术长期规划”。他积极参与,提出多项建议。1955年末,他倡议在我国开展“可控热核反应”(即“受控核聚变”)的研究,并以“大能量”作为代号。自1958年开始,我国受控核聚变实验研究在中国科学院物理所和原二机部401所(现中国原子能科学研究院)相继展开。1961年,国家调整科研战线布局,核聚变研究从“元帅”降为“保留种子”。我国理论物理著名学者王承书先生调离原二机部401所14室。李正武先生由高能加速器研究和中国科技大学教学岗位调至受控核聚变研究岗位,迄至今日。 李正武先生1916年11月8日生于浙江省东阳县(现已改建为市),1934年浙江省高中毕业会考获第一名,同年在3600名全国考生中以第一名的成绩考入清华大学。“一二?九”学生运动时期,他热心参加,并于1936年冬参加“抗日前线服务团”赴绥远(现内蒙古自治区),参加了伟大的抗日战争。1938年毕业后,他去贵阳气象所,任技士。之后,他在江苏医学院(重庆)、复旦大学(重庆)、交通大学(重庆和上海)任助教、讲师、副教授。1946年,他考取教育部公费留学,去美国著名的加州理工学院,获博士学位。他的攻读主科为核物理,导师为C .C .劳列生与后来获诺贝尔奖的W .A .福勒;副科为(分子生物物理)噬菌体研究,导师为后来获得诺贝尔奖的M.德尔布鲁克。他先后在该校任研究助理、研究员。1954年,他去美国望城医学中心,创建了一台性能独特的钴射线治疗仪。多年之后,此治疗仪还在使用。1955年回国后,他协助我国原子核物理研究的先驱者赵忠尧先生研制完成了我国第一台1 o ?核工业西南物理研究院科学技术委员会主任,研究员 核工业西南物理研究院副院长,研究员核工业西南物理研究院院长,研究员
核聚变方式及装置、原理介绍
13SP02340600 《核工程概论及实践》 课程设计 核聚变装置原理及结构梳理 学号 姓名 院系 专业 完成日期 设计类型 得分
摘要 核聚变作为正在研究中的新能源，除了托卡马克装置以外还有包括仿星器、磁镜、反向箍缩和球马克在内的其它磁性约束装置；此外还有激光点火的惯性约束方案。本文主要介绍以上方案的原理和装置结构，由于接触时间有限，不对相关技术进行评价。 关键词：核聚变；托卡马克；仿星器；磁镜；反向箍缩；惯性约束
目录 摘要 ................................................................................................................................................... I 第一章托卡马克装置结构及原理. (1) 1.1约束的含义 (1) 1.2 托卡马克中磁约束的基本原理 (1) 1.3托卡马克系统的结构 (2) 1.4 本章小结 (4) 第二章其他磁性约束方式 (5) 2.1 仿星器 (5) 2.2 磁镜 (5) 2.3 反向箍缩 (6) 2.4 本章小结 (6) 第三章惯性约束方式原理 (7) 3.1 惯性约束的原理和实现 (7) 3.1.1 惯性约束的原理 (7) 3.1.2 实现手段 (7) 3.2 惯性约束聚变堆方案 (8) 3.3 本章小结 (8) 参考文献 (9)
第一章托卡马克装置结构及原理 托卡马克装置作为上世纪六、七十年代以来一直占据核聚变研究中心的聚变装置，目前在所有方案中取得的成果最为突出，如等离子体温度最高，（脉冲）功率最大，最先实现全超导等等，当然这得益于许多科学家的奉献和更多资金的投入。总的来说，尽管所有方案离商用发电都很遥远，但托卡马克是目前来看最有前途的聚变装置。 1.1约束的含义 核聚变必须使聚变材料的温度、密度和这种高温高压状态维持的时间（约束时间）的乘积满足劳森判据才能实现。 由于核聚变反应温度超高，即使最容易的氚-氘反应也要求反应温度大于5000万度才能大量进行；此时的核材料呈现为物质第四态——等离子态。 图1-1 日冕中的等离子体 等离子体是宇宙中很常见的物质形态，如太阳就是有等离子态的物质组成的，只不过如图1-1中日冕中等离子体温度为几千度，而聚变堆中由于体积限制，要求温度达到上亿度。 为了维持这类极高温的等离子体不消散掉，就需要各种各样非接触式的方法。首先想到的方法就是利用电磁场来约束带电的等离子体，而第二种方法则利用激光推动核材料聚集。 1.2 托卡马克中磁约束的基本原理 图1-2是ITER项目公布的托卡马克设计图，可以看到反应腔内等离子体截
托卡马克
磁约束：是利用强磁场可以很好地约束带电粒子这个特性，构造一个特殊的磁容器，建成聚变反应堆，在其中将聚变材料加热至数亿摄氏度高温，实现聚变反应。 托卡马克是前苏联科学家于20世纪60年代发明的一种环形磁约束装置。美、日、欧等发达国家的大型常规托卡马克在短脉冲（数秒量级）运行条件下，做出了许多重要成果。等离子体温度已达4.4亿度；脉冲聚变输出功率超过16兆瓦；Q值（表示输出功率与输入功率之比）已超过1.25。 所有这些成就都表明：在托卡马克上产生聚变能的科学可行性已被证实。但这些结果都是在数秒时间内以脉冲形式产生的，与实际反应堆的连续运行仍有较大的距离，其主要原因在于磁容器的产生是脉冲形式的。 受控热核聚变研究的一次重大突破，就是将超导技术成功地应用于产生托卡马克强磁场的线圈上，建成了超导的托卡马克，使得磁约束位形的连续稳态运行成为现实。超导托卡马克是公认的探索、解决未来具有超导堆芯的聚变反应堆工程及物理问题的最有效的途径。 目前，全世界仅有俄、日、法、中四国拥有超导托卡马克。法国的超导托卡马克Tore-supra的体积是中国HT-7的17.5倍，它是世界上第一个真正实现高参数准稳态运行的装置，在放电时间长达120s条件下，等离子体温度为两千万度，中心密度每立方米1.5×1019，放电时间是热能约束时间的数百倍。
西南物理研究院1984年建成中国环流器一号（HL -1），1995年建成中国环流器新一号。 中国科学院等离子体物理研究所1995年建成超导装置HT -7。它原是前苏联无偿赠送给中国的一套纵向超导的托卡马克实验装置，经等离子体物理研究所的不断改进，它已成为一个宠大的实验系统。它包括HT -7超导托卡马克装置本体、大型超高真空系统、大型计算机控制和数据采集处理系统、大型高功率脉冲电源及其回路系统、全国规模最大的低温氦制冷系统、兆瓦级低杂波电流驱动和射频波加热系统以及数十种复杂的诊断测量系统。在十几次实验中，取得若干具有国际影响的重大科研成果。特别是在2003年3月31日，实验取得了重大突破，获得超过1分钟的等离子体放电，最长放电时间达到 63.95 秒；这是继法国之后第二个能产生分钟量级高温等离子体放电的托卡马克装置。 这些重大进展是： 实现了在低杂波驱动下电子温度超过500万度、中心密度大于每立方米 1.0×1019 、长达20秒可重复的高温等离子体放电；实现了大于10秒、电子温度超过1000万度、中心密度大于每立方米1.0×1019的高参数等离子体放电，这是世界上第二个形成放电长度达到1000倍热能约束时间的高参数准稳态等离子体；在离子伯恩斯波和低杂波协同作用下，实现放电脉冲长度大于100倍热能约束时间、电子温度2000万度的高约束稳态运行；最高电子温度超过3000万度。
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。由它可导出符拉索夫方程等,这给等离子体动力论奠定了理论基础。 1950年以后，因为英、美、苏等国开始大力研究受控热核反应，促使等离子体物理蓬勃发展。热核反应的概念最早出现于1929年(前面已涉及) 1957年英国的J.D.劳孙提出受控热核反应实现能量增益的条件，即劳孙判据。 50年代以来已建成了一批受控聚变的实验装置，如美国的仿星器和磁镜以及苏联的托卡马克，这三种是磁约束热核聚变实验装置。 60年代后又建立一批激光惯性约束聚变实验装置。 环状磁约束等离子体的平衡问题由苏联的V.D.沙弗拉诺夫等解决。 美国的M.克鲁斯卡和沙弗拉诺夫导出了最重要的一种等离子体不稳定性，即扭曲不稳定性的判据。 1958年美国的I.B.伯恩斯坦等提出分析宏观不稳定性的能量原理。 处在环状磁场中的等离子体的输运系数首先由联邦德国的D.普菲尔施等作了研究(1962)，他们给出在密度较大区的扩散系数，苏联的A.A.加列耶夫等给出了密
国家磁约束核聚变能发展研究专项2014年项目
附件1 国家磁约束核聚变能发展研究专项 2014年项目申报指南和申报要求 一、项目指南 1. EAST内部部件实时检测、分析及快速更换关键技术 通过对三维磁场下粒子轨迹、以及与第一壁材料相互作用的模拟，预测可能的损伤和燃料滞留，发展在真空环境下对东方超环（EAST）内部部件表面形貌的实时监测、表面损失的实时分析、表面损伤小部件快速更换的方法、技术。实现在实验期间，等离子体放电中、放电间的实时测量，以及损伤小部件的智能快速更换。 2. HL-2M装置大功率低杂波系统技术研究 在中国环流器二号M装置（HL-2M）上建成2MW长脉冲低杂波系统，发展高功率相控阵列天线技术，高功率微波传输及测量技术，多管高压平衡与微波输出功率平衡以及快速保护技术。针对HL-2M装置放电特点，优化低杂波系统设计，实现低杂波与等离子体的高效耦合。重点在国内形成3.7GHz大功率微波部件的设计、加工和测试能力，接近或达到国际先进水平。
3. 支持远程参与的稳态先进控制和数据采集系统 针对EAST稳态运行发展新的动力学控制算法，实现先进等离子体位形（如雪花偏滤器位形）的控制，研究先进的支持远程参与和稳态高参数条件下的稳态等离子体控制技术并开展实验研究。发展未来跨洋海量数据的传输、储存、可视化和虚拟化技术，实现准实时的海量数据分析和存储；支持远程国际参与的实验和数据模拟；研究在大规模国际合作的环境中有效的数据存储和数据安全。 4. 聚变材料研究用小型高通量高能氘铍中子源关键问题 针对磁约束核聚变工程用材料的筛选与快速评估，开展小型高通量高能氘铍中子源关键技术研究，包括：通过对超导加速器的束流输运和系统耦合的研究，研制高效、稳定、低束流损失的低β超导加速模块；研制安全、稳定、可靠运转的新型铍靶系统，并探索新型的靶材料；对小型大通量高能氘铍中子源进行整体模拟研究和参数优化设计。 5. CFETR超导模型线圈的关键技术 针对中国聚变工程实验堆（CFETR）超导磁体的关键科学和技术问题，开展对模型线圈的设计与分析、绕制、热处理、绝缘等关键技术问题研究，完成模型线圈的研制。开展针对CFETR实验运行条件下大电流、高磁场变化率条件下的 2