【正文】 加。后者和中性束的整體效率直接相關(guān)。這里并不矛盾，由于兩個過程都有高能電中性的束粒子，因此背景離子帶不帶電沒有什么關(guān)系。另外還會有別的損失情況發(fā)生，尤其是在非平行注入時，例如被環(huán)向磁場波紋捕獲的香蕉粒子引起的損失。因此實驗得出的結(jié)論是，目前的正離子源技術(shù)勉強可以做到將 JET 規(guī)模的等離子體加熱到反應(yīng)堆的溫度。 南華大學核科學技術(shù)學院 2021屆本科畢業(yè)論文 14 接下來，考慮反應(yīng)截面和穿越深度的關(guān)系。推導過程并不復雜，主要取決于不同電離機制的反應(yīng)截面。對于這兩種類型的離子，中性化的效率非常不同。典型的負離子產(chǎn)生是通過低溫放電中電子附著在中性分子上得到的。對聚變堆來說，要將 氘氚 等離子體加熱到自持燃燒溫度，這些功率的脈寬也應(yīng)達到幾十秒，如果用作波電流驅(qū)動，則 微波的產(chǎn)生和傳輸都要實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)。然而，隨著束能量提高，轉(zhuǎn)換效率迅速下降。憑直覺 可以預期穿透深度應(yīng)該正比于束的能量，因為 低能束會導致大部分能量沉積在等離南華大學核科學技術(shù)學院 2021屆本科畢業(yè)論文 9 子體外側(cè)。托卡馬克的歐姆變壓器開始采用鐵心結(jié)構(gòu)，這樣使總的可利用磁通受到鐵心飽和磁場的限制。 歐姆加熱 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高的溫度區(qū)（在中型和大型裝置中，中心電子溫度很易達到 keV量級，最高可達 3keV）。HT7 的主要研究目標是：獲得并研究長脈沖或準穩(wěn)態(tài)高溫等離子體，以及檢驗和發(fā)展與其相關(guān)的工程技術(shù)，為未來穩(wěn)態(tài)先進托卡馬克聚變堆提供工程技術(shù)和物理基礎(chǔ)。托卡馬克是一種環(huán)形強磁場裝置，它利用外部線圈產(chǎn)生環(huán)向磁場與等離子體電流自身產(chǎn)生的極向磁場共同構(gòu)成旋轉(zhuǎn)變換的磁場位形。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。地質(zhì)估計表明，地球上可 獲得的廉價 Li 6 可以用上 2 萬年（假設(shè)世界能源總消費量按目前速度進行）。 聚變能是一種核能形式。幾乎所有關(guān)于未來能量消耗的預測都指出，到 2100 年，世界能源需求量將至少是目前能源消耗量的兩倍。由于中性束原子不受磁場影響，束原子將會沿直線傳播，直到它們通過與背景等離子體碰撞而被電離。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。具體來說，就是裂變涉及像 U 238 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）。聚變反應(yīng)不產(chǎn)生 CO2或其他溫室氣體排放，也不會向大氣排放任何其他有害化學物質(zhì)。上述討論表明，從燃料蘊藏量、對環(huán)境的影響和安全性等角度來看，聚變能的潛在優(yōu)勢的確給人留下了深刻印象。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，達到聚變堆燃燒等離子體所要求的溫度。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量范圍。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。即使這樣，總的可用磁通（伏秒數(shù)）仍有 限 ， 其中為建立等離子體電南華大學核科學技術(shù)學院 2021屆本科畢業(yè)論文 8 流消了 (???)1 = ?????? 剩下的用于維持電阻消耗，等于環(huán)電壓對時間的積分，這就限定了放電時間。第二個物理問題涉及束能量（在電離化后）向背景等離子體的轉(zhuǎn)移，盡管這個過程相對簡單。理論預測利用負離子源的總體效率隨著能量的提高仍能保持很高的水平。被加熱的等離子體是一個有界的 不均勻介質(zhì) ，當通過外部的藕 合系統(tǒng)（微波天線、波導）向等離子體發(fā)射大功率微波時，只有在等離子體內(nèi)能產(chǎn)生相應(yīng)波段的可傳播的本征波時，才能將外 部的微波能量藕 合到等離子體中，這一條件是由等離子體的色散性質(zhì)確定的，因此必須分 析各有關(guān)波段的色散關(guān)系，計算出可以傳入等離子體的波功率（確定藕合效率）。這個結(jié)果意味著高能量下有高的中性束轉(zhuǎn)換效率，也是負離子源相對于正離子驅(qū)動源的最主要優(yōu)點。 設(shè)備的最后一級是磁偏轉(zhuǎn)器?，F(xiàn)在先考慮電荷交換碰撞，這時高能中性粒子失去一個電子給冷離子。由于高能中性 粒子 (Γb)的減少和高能帶電粒子 (Γb:)的增加是一一對應(yīng)的 ,因此： Γb:(x) = Γb(0)(1 ?e。這些值遠遠超出了正離子源能有效使用的范圍。 正離子 先討論正離子的中性化束。描述束通量的方程是： dΓb:dx = ?nnσeΓb: +nnσiΓb………………..(2) 這里 nn是中性化室中背景雙原子中性粒子的密度。這個過程產(chǎn)生需要的高能中性束。因此，如果一直在中性化室中穿行，高能負離子和高能中性粒子通量都會衰減到零。δ) 這里 δ = σiσs 圖 7 給出了函數(shù) fn(xm)。 2．普遍觀察到高能離子的存在，這些高能離子，尤其是具有香蕉軌道的捕獲離子會與磁流體本征模發(fā)生相互作用，其中處在 q = 1面內(nèi)的高能捕獲離子會與內(nèi)扭曲模發(fā)生相互作用，引起所謂的魚骨模 (fishbone mode)，這也是一種m = l， n = l的內(nèi)扭曲模，但只有存在大量的高能捕獲離子時才能被激發(fā)，它對高能離子本身的約束起很大的破壞作用，從而影響到中性束的加熱效率。 本文簡單介紹了幾種加熱方法。d233。他嚴謹細致、一絲不茍的作風一直是我工作、學習的榜樣；在忙碌的教學工作中擠出時間來審查、修改我的論文， 循循善誘的教導和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪。 等離子體必須首先被加熱到 5~7keV的溫度以使 α功率成為主要的加熱源。此外，在高能離子總額較大時，還要考慮這些離子自身反常擴散的影響。x/λi ?e?！?.(4) 第一個方程右側(cè)表示由于與背景中性粒子碰撞造成電子剝離導致的負離子的減少。在這樣的高密度下，對于正離子驅(qū)動的中性束，很難做到既要求穿透深度超過 ，又要求轉(zhuǎn)換份額高于 50％。在中性室中，高能中性粒子通過和電中性的背景分子碰撞而被電離。在計算分析中性束加熱效果時，這些損失需要從中性束總能量中扣除。完全平行入 射需要大約 3m的深度，對應(yīng)束能量200keV，這正好超出了目前高效正離子源技術(shù)的上限。而且注意到，雖然上面的反應(yīng)關(guān)系寫的是 氘中性粒子和氘 離子碰撞，但無論是 束粒子還是等離子體粒子都可以換成氚 ，關(guān)系不會有明顯的變化。具體來說，就是要推導 E = E(a)的表達式。而負離子通過時，則由非彈性碰撞使得附著電子從原子上剝落而被中性化。 另一方面，產(chǎn)生負離子則更困難。經(jīng)過 20 多年的研制，現(xiàn)在單管的微波功率已能達到 MW量級． 大 部分實驗裝置中，微波功率以一定寬度的脈沖形式輸入，脈寬在幾十毫秒到幾秒范圍，幾個大裝置中的高功率微波脈沖寬度己達幾十秒。對應(yīng)的效率是相當令人滿意的（ η＝束功率／輸入 功率相當高）。后者是為了能夠把能量沉積在最需要的地方。 用歐姆驅(qū)動方法維持電流的時間受到變壓器的伏秒數(shù)的限制。由于大多數(shù)的等離子體加熱方法都可以用來驅(qū)動等離子體電流，因此可以很自然地把對等離子體加熱的討論推廣到電流驅(qū)動問題上來。 HT7 和 EAST 托卡馬克簡介 目前我們用于磁約束聚變研究的裝置是 HT7 和 EAST 超導磁體托卡馬克裝置。托卡馬克的位形示意圖如圖 1 所示。而聚變反應(yīng)堆的工作并不取決于大量燃料的鏈式反應(yīng)。這樣， DT 聚變的總體燃料儲備由此轉(zhuǎn)化為 Li 6 的儲備限制。最后的目標是將這些方案進行整合，建成經(jīng)濟上可行的具有競爭南華大學核科學技術(shù)學院 2021屆本科畢業(yè)論文 2 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。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，還有很大一部分則來自于正處于快速工業(yè)化過程中的國家，如中國和印度。而一旦被電離，束粒子將被磁場約束，其能量也會通過庫侖碰撞逐漸轉(zhuǎn)移到等離子體中。地球上煤的儲量十分充足，然而，如果要減少未來溫室氣體的排放，那么對主要化石燃料（煤、天然氣、石油）的產(chǎn)能就需要設(shè)定一個限制。氫核聚變是太陽維持其存在的主要反應(yīng)形式。聚變反應(yīng)的主要代謝物是無害的惰性氣體氦氣。 托卡馬克 即使是最容易實現(xiàn)的核聚變過程 (D， T)也需要高達十億度的溫度，這個溫度下任何物質(zhì)都會化為灰燼。在 JET 上進行的氘氚實驗，聚變輸出功率已達 17MW，在 3 秒的準穩(wěn)態(tài)放電中輸出聚變能量達 21MJ， 輸出與輸入功率比一增益達 。 EAST 托卡馬克是一種大型的超導、穩(wěn)態(tài)裝置，其大半徑為 ，小半徑為 ，拉長比為 ~，等離子體電流為 ~，環(huán)向磁場強度為 。 歐姆加熱的原理非常簡單，即通過電流的焦耳熱來加熱等離子體。 要具體估計歐姆加熱條件下可達到的最高等離子體的溫度，需結(jié)合裝置參數(shù)及等離子體條件并給出具體的能量損失機制。通過庫侖碰撞，電離化后的束慢化并把能量沉積在背景等離 子體中。但是產(chǎn)生這種源的技術(shù)更加復雜。第三， 這些被藕 合的波能最終被等離子體吸收，這類吸收主要通過非碰撞型機制 來實現(xiàn)，即通過等離子體中的部分粒子與波的相互作用，波對這些粒子實現(xiàn)共振加速而把波能轉(zhuǎn)換為粒子的機械能的方式達到強的吸收。 現(xiàn)在， 假設(shè)已經(jīng)產(chǎn)生了一個低溫離子源，無論是正離子或者負離子放電。這一級 是必要的，因為中性化室的輸出通常包含了高能中性束粒子和沒有被中性化的高能離子。 DD 碰撞的能量交換反應(yīng)是： Db + Dp: → Db: +Dp 這里及后面的記號如下，下標“ b”和 “ p”分別指“束”和“等離子體”。x/λ) 這里的衰減長度 λ由下式給出 : λ = 1np(σe +σi) 穿透深度顯然與衰減長度同量級。結(jié)論就是，如果這種形式的輔助加熱要在 ITER 或者聚變反應(yīng)堆中應(yīng)用，必須發(fā)展高能負離子源技術(shù)。有兩個重要的過程要考慮。方程右側(cè)第一項表示高能帶電粒子 Γb:的減少，這個減少的通量轉(zhuǎn)化成要得到的高能中性束 通量 Γb。這個反應(yīng)截面 σs． 不同于正離子電荷交換截面。這里沒有長尺度極限下的平衡存在。注意到對于 1MeV的束能量，負離子中性化效率保持高水平，有大約 60％的量級。但高能捕獲離子在一定的條件下又能夠起到好的作用，這就是使鋸齒溫度峰化。歐姆加熱從技術(shù)上是最簡單的，但是等離子體電阻隨溫度增加而減小，因此在典型反應(yīng)堆參數(shù)下，歐姆加熱只能加熱等離子體到 T ≤ 3keV。rale de Lausanne (EPFL), Centre de Recherches en Physique des Plasmas, Association EuratomConf233。 首先誠摯的感謝我的論文指導老師黃千紅 老師。 5．中性 束 驅(qū)動平行于磁力線的電流 。這種大軌道的總體效應(yīng)是使功率沉積剖南華大學核科學技術(shù)學院 2021屆本科畢業(yè)論文 21 面變得更平坦。 中性化份額是 x的如下函數(shù)： fn(x) = Γb(x)Γ0= λiλs ?λi(e。dΓbdx = ?nnσiΓb + nnσsΓb。圖中還畫出了 n20 = 。截面 σi是第一次被用來描述高能中性粒子進入等離子體和正電荷背景離子碰撞發(fā)生的電離。由于這取決于電荷交換過程，所以相應(yīng)的稱這種損失為電荷交換損失。我們注意到，對于密度 n20 = ，小半徑 a = 1m的典型的 JET 等離子體 100keV的中性束的穿透深度為 ap = ，大約是垂直入 射時需要的深度。在 90keV下，電荷交換是主要的電離機制。 南華大學核科學技術(shù)學院 2021屆本科畢業(yè)論文 13 在等離子體中的傳播 最先 的物理問題是計算 需要多高的束能量才能使得高能中性束粒子在被電離化前可以穿透等離子體中心。這時高能正離子從冷的中性粒子那里得到電子，也就是說中性粒子和離子基本上交換了它們的角色，結(jié)果就成了低能的離子和高能中性粒子。分子形式的離子由于其具有較重的質(zhì)量，因此最終產(chǎn)生 1/2 或者 1/3 能量的中性粒子，從而導致低穿透性和不希望的邊緣加熱。這些微波發(fā)生器的頻段對離子回旋頻段為 30~200Hz，可采用大 功率真空四極管；對低雜波頻段為 1~8GHz，可采用速調(diào)管；對 電子回旋頻段為 40~160GHz范圍，可采用回旋管。具體來說，就是 目前使用的大部分中性束是由初始的正離子源產(chǎn)生的。對束的主要要 求是高通量且能夠在電離化之前穿透等離子體中心。在形成準穩(wěn)態(tài)等離子體后，隨著電子溫度的上升，環(huán)電壓迅速降至較小的水平，對中小型裝置的典型環(huán)壓是幾伏，對大裝置可以減至 1V以下。 因為 托卡馬克要穩(wěn)態(tài)運行，就必須要有某種形式的非感應(yīng)電流驅(qū)動。 EAST 成為世界上第一個建成并真正運行的全超導非圓截面核聚變實驗裝置。其中大多數(shù)經(jīng)過實驗證明沒有太多價值和希望已經(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 。正是這種巨大的能量使得裂變堆有可能崩潰。 Li 6 是聚變堆包層的一個組成部分。國際聚變界正在逐一尋找解決這些難題的方案。簡單地說，就是對新的產(chǎn)能持續(xù)增長的需求超過了現(xiàn)有資源配置條件下具有經(jīng)濟可行性和環(huán)境友好型方法所能取得的供給。中性束注入加熱隨著大功率中性粒子源的發(fā)展已經(jīng)成為聚變研究中加熱的主要方法之一 , 束注入加熱在大中型聚變裝 ) 中廣泛應(yīng)用 , 而且取得很好的加熱效果 。測算表明，現(xiàn)已探明的天然氣和石油儲量將在未來幾十年內(nèi)消耗殆盡， 而溫室氣體對環(huán)境的影響是我們必須考慮的 問題。 聚變能主要有三大優(yōu)勢：燃料蘊藏量、環(huán)境影響和安全性。聚變引起的最大的環(huán)境問題是，不論是 D