【正文】 托卡馬克中中性束加熱研究現(xiàn)狀畢業(yè)論文目 錄引言.....................................................1研究核聚變的必要性....................................1托卡馬克裝置..........................................31. 等離子體加熱...........................................6...........................................6.........................................8................... ..........................92. 中性束加熱.................. ..........................10......................................11..........................13................................16......................................16.....................................18.........................19.........................213. 總結(jié)..................................................224. 致謝..................................................225. 參考文獻(xiàn)..............................................236. 英文翻譯..............................................24英文原文..............................................24中文譯文..............................................32引 言眾所周知，能源在食品生產(chǎn)、家庭取暖與照明、工業(yè)設(shè)備運(yùn)行、提供公共與私人交通以及通信保障等方面必不可少，生活質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)直接與能量消耗成正比。一般來講，高質(zhì)量的生活需要由價(jià)格合理的充足的能量消耗來保證。盡管人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這些，但現(xiàn)今世界大部分地區(qū)的能源狀況卻不容樂觀，并且情況不是在好轉(zhuǎn)而是變得越來越糟。簡(jiǎn)單地說，就是對(duì)新的產(chǎn)能持續(xù)增長(zhǎng)的需求超過了現(xiàn)有資源配置條件下具有經(jīng)濟(jì)可行性和環(huán)境友好型方法所能取得的供給。這些需求中，有些來自如北美、西歐和日本等世界工業(yè)化區(qū)域?qū)δ茉词褂玫某掷m(xù)增長(zhǎng)，還有很大一部分則來自于正處于快速工業(yè)化過程中的國(guó)家，如中國(guó)和印度。幾乎所有關(guān)于未來能量消耗的預(yù)測(cè)都指出，到2100年，世界能源需求量將至少是目前能源消耗量的兩倍。加劇能源供給矛盾的一個(gè)重要問題是環(huán)境的惡化。特別是有越來越多的證據(jù)表明，溫室氣體排放已開始對(duì)環(huán)境產(chǎn)生明顯的副作用。如果不存在溫室氣體排放的問題，那么通過增加煤的使用就可以大大緩解能源供給短缺的問題。地球上煤的儲(chǔ)量十分充足，然而，如果要減少未來溫室氣體的排放，那么對(duì)主要化石燃料（煤、天然氣、石油）的產(chǎn)能就需要設(shè)定一個(gè)限制。測(cè)算表明，現(xiàn)已探明的天然氣和石油儲(chǔ)量將在未來幾十年內(nèi)消耗殆盡，而溫室氣體對(duì)環(huán)境的影響是我們必須考慮的問題。研究核聚變的必要性作為清潔能源之一的核能在最近幾十年來則由輔助角色逐漸成為主力能源類型，自二十世紀(jì)后半葉以來，各種類型的核電站在世界范圍內(nèi)得到異常迅速的發(fā)展。原理都是利用鈾等大原子量的重元素原子核的裂變，釋放巨大能量，即重核裂變。任何方式都存在著優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，裂變也具有自身的缺點(diǎn)，如核廢料的處理問題和鈾礦資源儲(chǔ)量有限。聚變正是在這樣的背景下進(jìn)人了人們的視野。通過和現(xiàn)有能源供給方式進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)聚變能的發(fā)展?jié)摿κ滞怀觥１容^顯示，聚變能在諸如安全性、燃料儲(chǔ)量以及最小的環(huán)境破壞性等方面具有很多令人矚目的優(yōu)點(diǎn)。更重要的是，聚變必須能夠提供不間斷的可靠的大規(guī)模電力，這樣才能成為世界能源供給的主力軍。然而，聚變能也存在不利的一面，首要問題就是要解決聚變過程中存在的復(fù)雜的科學(xué)和工程難題。國(guó)際聚變界正在逐一尋找解決這些難題的方案。最后的目標(biāo)是將這些方案進(jìn)行整合，建成經(jīng)濟(jì)上可行的具有競(jìng)爭(zhēng)力的發(fā)電站，這樣聚變才能在世界能源生產(chǎn)中發(fā)揮其應(yīng)有的作用。聚變能是一種核能形式。它的主要應(yīng)用方式是通過大型基本負(fù)荷發(fā)電站進(jìn)行電力供應(yīng)。如果從單位質(zhì)量結(jié)合能角度來看，聚變反應(yīng)的基本核過程發(fā)生在質(zhì)量譜上與比裂變相對(duì)的另一端。具體來說，就是裂變涉及像 238U這樣的重原子核的分裂，而聚變則涉及輕元素，主要是氫（H）及其同位素氘（D）和氚（T）等的合并（即聚合）。氫核聚變是太陽維持其存在的主要反應(yīng)形式。聚變能主要有三大優(yōu)勢(shì)：燃料蘊(yùn)藏量、環(huán)境影響和安全性。從電力產(chǎn)生上說，反應(yīng)速率足夠快的聚變反應(yīng)主要有兩種，它們都要用到純凈的氘，以及氘和氚的等量組合。天然的氘存在于海水中，平均每6700個(gè)氫原子就有1個(gè)是氘原子。氘的提取容易，成本低。如果海洋中所有的氘都用于聚變反應(yīng)堆，并利用標(biāo)準(zhǔn)的蒸汽循環(huán)進(jìn)行電力生產(chǎn)，那么按當(dāng)今世界總的能源消耗速度計(jì)算，產(chǎn)生的動(dòng)力將足夠地球維持約20億年！氘氚（DT）反應(yīng)生產(chǎn)的能量超過純氘氘（DD）反應(yīng)。而且DT反應(yīng)還有一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)發(fā)生的速度更快，從而更容易建立這種類型的反應(yīng)堆。因此，所有第一代核聚變反應(yīng)堆都將采用DT反應(yīng)的形式。從燃料儲(chǔ)備方面說，用于DT反應(yīng)堆以及DD反應(yīng)堆的氘可以用上幾十億年，但氖則不然。氖是一種半衰期約為12年的放射性同位素，而且地球上沒有天然的氚存在，但氚可以通過鋰同位素 6Li的反應(yīng)來增殖獲得。 6Li是聚變堆包層的一個(gè)組成部分。這樣，DT聚變的總體燃料儲(chǔ)備由此轉(zhuǎn)化為 6Li的儲(chǔ)備限制。地質(zhì)估計(jì)表明，地球上可獲得的廉價(jià) 6Li可以用上2萬年（假設(shè)世界能源總消費(fèi)量按目前速度進(jìn)行）。據(jù)推測(cè)，早在 6Li耗盡之前，科學(xué)技術(shù)就已經(jīng)發(fā)展到將聚變反應(yīng)途徑轉(zhuǎn)換到DD反應(yīng)堆上了。聚變能的第二個(gè)優(yōu)勢(shì)是對(duì)環(huán)境的影響小。聚變反應(yīng)不產(chǎn)生CO2或其他溫室氣體排放，也不會(huì)向大氣排放任何其他有害化學(xué)物質(zhì)。聚變反應(yīng)的主要代謝物是無害的惰性氣體氦氣。聚變引起的最大的環(huán)境問題是，不論是DD反應(yīng)還是DT反應(yīng)，都會(huì)釋放出高能中子。這些中子在聚變包層里被捕獲，因此不會(huì)對(duì)公眾構(gòu)成威脅。然而，當(dāng)它們經(jīng)過包層的結(jié)構(gòu)材料時(shí)，中子會(huì)造成材料結(jié)構(gòu)改性，使材料變得也具有放射性。但即便如此，這種放射性結(jié)構(gòu)材料的半衰期很短，因此，更換下來需要存儲(chǔ)的時(shí)間也短，在100年量級(jí)?？偟膩碚f，從整體環(huán)境上考慮，聚變能是一種比化石燃料、核能和其他可再生能源更具吸引力的選擇。聚變能的最后一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是安全性。由于聚變是一種核過程，因此，人們非常在意發(fā)生如三哩島事故那樣的放射性災(zāi)難的可能性。支配核聚變反應(yīng)的物理學(xué)的基本規(guī)律可以保證這種事情不可能發(fā)生。具體來說，在裂變反應(yīng)堆里，相當(dāng)于電力生產(chǎn)幾年的整個(gè)能量被即時(shí)地存儲(chǔ)在反應(yīng)堆的堆芯。正是這種巨大的能量使得裂變堆有可能崩潰。而聚變反應(yīng)堆的工作并不取決于大量燃料的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。相反，燃料必須源源不斷地送人反應(yīng)堆才能維持所需的消耗。最終的結(jié)果是，在任何時(shí)刻，聚變反應(yīng)堆內(nèi)的燃料質(zhì)量都非常少。正是這種任何瞬間都極少的燃料質(zhì)量使得聚變堆不可能發(fā)生崩潰。上述討論表明，從燃料蘊(yùn)藏量、對(duì)環(huán)境的影響和安全性等角度來看，聚變能的潛在優(yōu)勢(shì)的確給人留下了深刻印象。托卡馬克即使是最容易實(shí)現(xiàn)的核聚變過程(D，T)也需要高達(dá)十億度的溫度，這個(gè)溫度下任何物質(zhì)都會(huì)化為灰燼。要實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)必須將原料加熱到高達(dá)十億度的溫度，在這個(gè)溫度下物質(zhì)呈現(xiàn)第四態(tài)—等離子體態(tài)。目前約束等離子體的主要途徑有兩類：慣性約束和磁約束。相應(yīng)的受控?zé)岷司圩兊难芯恳灿写偶s束和慣性約束兩大類。慣性約束聚變是利用激光聚爆產(chǎn)生高密度的等離子體，利用慣性約束等離子體實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)，等離子體的約束一般是瞬態(tài)的，它是在激光技術(shù)有了突破性進(jìn)展的60年代開始發(fā)展起來的。磁約束聚變是利用強(qiáng)磁場(chǎng)約束高溫等離子體實(shí)現(xiàn)聚變。由于等離子體處于電離態(tài)，帶點(diǎn)粒子就會(huì)沿著磁力線運(yùn)動(dòng)，好像是粘在磁力線上一樣，選擇合適的磁場(chǎng)位形就可以將等離子體約束住。磁約束聚變的研究工作早在50年代初就在美蘇等國(guó)家秘密展開。起初兩國(guó)都以為可控核聚變可以像核裂變一樣在幾十年內(nèi)就研究成功，但是隨后遇到的諸多難題使得大家達(dá)成共識(shí)，可控核聚變的實(shí)現(xiàn)必須結(jié)合全人類的智慧，通過國(guó)際合作和全世界的努力才有可能實(shí)現(xiàn)。在磁約束受控聚變研究已經(jīng)走過的半個(gè)世紀(jì)里，各種各樣的實(shí)驗(yàn)裝置被研究和發(fā)展起來，例如磁鏡、Z．pinch、仿星器、托卡馬克等。其中大多數(shù)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明沒有太多價(jià)值和希望已經(jīng)被淘汰，而托卡馬克是發(fā)展最成功、目前為止最有希望建堆的裝置類型。托卡馬克的位形示意圖如圖1所示。托卡馬克是一種環(huán)形強(qiáng)磁場(chǎng)裝置，它利用外部線圈產(chǎn)生環(huán)向磁場(chǎng)與等離子體電流自身產(chǎn)生的極向磁場(chǎng)共同構(gòu)成旋轉(zhuǎn)變換的磁場(chǎng)位形。等離子體電流由變壓器感應(yīng)次級(jí)線圈一等離子體產(chǎn)生。托卡馬克位形對(duì)等離子體具有良好的約束性能，取得了重大進(jìn)展，裝置的尺寸由早期的臺(tái)面型發(fā)展到接近反應(yīng)堆的尺寸，等離子體的體積超過100m3。在大型托卡馬克裝置JET(歐洲聯(lián)合環(huán)，大半徑R=3m，小半徑a=lm)上利用中性束注入和離子回旋加熱已經(jīng)將離子溫度提高到20～40keV，達(dá)到聚變堆燃燒等離子體所要求的溫度。在JET上進(jìn)行的氘氚實(shí)驗(yàn)，聚變輸出功率已達(dá)17MW，在3秒的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電中輸出聚變能量達(dá)21MJ。盡管離商業(yè)性的能源利用還有很長(zhǎng)的路，但是實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)證實(shí)了聚變能的科學(xué)性和可行性，給了聚變界極大的鼓舞。目前正在建造的國(guó)際熱核試驗(yàn)裝置(ITER)正是基于多個(gè)大裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立的接近反應(yīng)堆尺寸的大型裝置，它將極大的促進(jìn)聚變的物理研究和工程發(fā)展。托卡馬克的中央是一個(gè)環(huán)形的真空室，外面纏繞著線圈。在通電的時(shí)候托卡馬克的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生巨大的螺旋型磁場(chǎng)，將其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達(dá)到核聚變的目的。 相比其他方式的受控核聚變，托卡馬克擁有不少優(yōu)勢(shì)。早在1968年8月，前蘇聯(lián)新西伯利亞召開的第三屆等離子體和受控核聚變研究國(guó)際會(huì)議上，阿齊莫維齊宣布在蘇聯(lián)的T3托卡馬克上實(shí)現(xiàn)了電子溫度 1 keV，質(zhì)子溫度 keV，nτ=10的18次方m3．s，這是受控核聚變研究的重大突破，在國(guó)際上掀起了一股托卡馬克的熱潮，各國(guó)相繼建造或改建了一批大型托卡馬克裝置。其中比較著名的有：美國(guó)普林斯頓大學(xué)由仿星器C改建成的 ST Tokamak，美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的奧爾馬克，法國(guó)馮克奈奧羅茲研究所的 TFR Tokamak，英國(guó)卡拉姆實(shí)驗(yàn)室的克利奧（Cleo），西德馬克斯普朗克研究所的 Pulsator Tokamak。 2006年9月28日，中國(guó)耗時(shí)8年、耗資2億元人民幣自主設(shè)計(jì)、自主建造而成的新一代熱核聚變裝置EAST首次成功完成放電實(shí)驗(yàn)，獲得電流200千安、時(shí)間接近3秒的高溫等離子體放電。EAST成為世界上第一個(gè)建成并真正運(yùn)行的全超導(dǎo)非圓截面核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。HT7和EAST托卡馬克簡(jiǎn)介目前我們用于磁約束聚變研究的裝置是HT7和EAST超導(dǎo)磁體托卡馬克裝置。HT7的主要研究目標(biāo)是：獲得并研究長(zhǎng)脈沖或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)高溫等離子體，以及檢驗(yàn)和發(fā)展與其相關(guān)的工程技術(shù)，為未來穩(wěn)態(tài)先進(jìn)托卡馬克聚變堆提供工程技術(shù)和物理基礎(chǔ)。HT7托卡馬克是一種中小型超導(dǎo)托卡馬克。其大半徑R0=，小半徑a=，等離子體基本參數(shù)為：Ip=100~200 kA，Bt=2 T， ne= (O．5～4)1019m3，Te=~，Ti=~。在HT7裝置中，診斷中性束采用垂直注入，其注入深度決定了中性束的測(cè)量范圍。EAST托卡馬克是一種大型的超導(dǎo)、穩(wěn)態(tài)裝置，，~，~。EAST托卡馬克主要用于研究穩(wěn)態(tài)運(yùn)行(≥1000s)等離子體，以及在高參數(shù)，高約束模，高靴帶流的等離子體。在第一個(gè)階段，應(yīng)用有效的輔助加熱系統(tǒng)使等離子體溫度從3 keV升高到5 keV，第二個(gè)階段從5 keV升高到8 keV。結(jié)合EAST輔助加熱的要求和裝置窗口的可近性條件，EAST將使用用兩條切向注入的中性柬系統(tǒng)，或非平衡注入實(shí)現(xiàn)非感應(yīng)電流驅(qū)動(dòng)或離子加熱.1. 等離子體加熱在穩(wěn)態(tài)聚變反應(yīng)堆中，等離子體必須滿足點(diǎn)火條件：pτE=24EaT2σv當(dāng)?shù)入x子體溫度T等于15 keV時(shí)，T2σv取最小值，此時(shí)對(duì)等離子體壓強(qiáng)和能量約束時(shí)間的要求最低。達(dá)到這個(gè)溫度的過程包含兩個(gè)階段。首先，通過歐姆加熱和輔助加熱把等離子體溫度提高到5~7 keV。在這個(gè)過程中，聚變產(chǎn)生的α粒子對(duì)加熱的貢獻(xiàn)可以忽略，而加熱功率需要克服由于熱傳導(dǎo)和韌致輻射導(dǎo)致的功率損失。當(dāng)?shù)入x子體溫度超過5~7 keV后，a粒子加熱功率成為主要力量，它將加熱等離子體到最終的點(diǎn)火溫度15 keV。下面主要簡(jiǎn)介將等離子體加熱到5~7 keV這個(gè)過渡溫度的各種方法。還將討論另一個(gè)相關(guān)問題，即電流驅(qū)動(dòng)。因?yàn)橥锌R克要穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，就必須要有某種形式的非感應(yīng)電流驅(qū)動(dòng)。由于大多數(shù)的等離子體加熱方法都可以用來驅(qū)動(dòng)等離子體電流，因此可以很自然地把對(duì)等離子體加熱的討論推廣到電流驅(qū)動(dòng)問題上來。歐姆加熱是托卡馬克等離子體平衡位形建立的基本手段，而且也可以有效地將等離子體加熱到相當(dāng)高的溫度區(qū)（在中型和大型裝置中，中心電子溫度很易達(dá)到keV量級(jí)，最高可達(dá)3keV）。研究歐姆加熱產(chǎn)生的等離子體本身的性質(zhì)在一些方面已很有意義（如磁場(chǎng)位形特性，電流的維持，等離子體與器壁相互作用），因此有一些裝置的主要研究?jī)?nèi)容一直是歐姆加熱。在大中型裝置中，則需要以歐姆加熱等離子體作為更高功率加熱的靶體。除托卡馬克外，在仿星器類型的裝置上，也可以用歐姆加熱建立初始等離子體。歐姆加熱的原理非常簡(jiǎn)單，即通過電流的焦耳熱來加熱等離子體。這一加熱功率隨電子溫度的升高而迅速降低。歐姆加熱的功率密度為pOH=ηj2 η為Spitzer電阻率實(shí)驗(yàn)證明它由經(jīng)典碰撞機(jī)制確定（在放電初期環(huán)電壓很大時(shí)，