【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 離方法使這種伏秒消耗減至最小。在形成準(zhǔn)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(duì)中小型裝置的典型環(huán)壓是幾伏，對(duì)大裝置可以減至 1V以下。 用歐姆驅(qū)動(dòng)方法維持電流的時(shí)間受到變壓器的伏秒數(shù)的限制。托卡馬克的歐姆變壓器開(kāi)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(chǎng)的限制。后來(lái)一些變壓器采用空心軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，以中心螺線圈為主，與布設(shè)在等離子體環(huán)周?chē)妮o助線圈共同組成在等離子體約束區(qū)基本無(wú) 漏磁場(chǎng)的一組極向磁場(chǎng)繞組（如圖 2 所示）。這樣，在占用同樣的空間區(qū)域的條件下，可用磁通大體可以提高 3~5倍 。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(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)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(duì)時(shí)間的積分，這就限定了放電時(shí)間。 要具體估計(jì)歐姆加熱條件下可達(dá)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(jī)制。主要的損失機(jī)制有：電離和輻射，電子和離子的熱傳導(dǎo)，對(duì)流損失，等等。其中電子熱傳導(dǎo)是由微觀不穩(wěn)定性引起的反常熱傳導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)證明是主導(dǎo)歐姆加熱中能量損失的主要機(jī)制；離子的熱傳導(dǎo)接近新經(jīng)典離子熱導(dǎo)率，但這也不是很小的損失。在密度較高時(shí)，從離子通道損失的功率可以超過(guò)從電子通道損失的功率． 要把等離子體溫度提高到遠(yuǎn)大于歐姆加熱所達(dá)到的最高溫度 ,利用中性束加熱是一種非常好的方法 .把 一束能量遠(yuǎn)高于所要 達(dá)到的等離子溫度 15keV的 中性束注入 等離子體，由于束粒子是電中性的，不會(huì)受到磁場(chǎng)的影響，因此它們一直沿直線進(jìn)入 等離子體，直到與背景等離子體發(fā)生碰撞被電離。一旦發(fā)生電離，這些原來(lái)的中性粒子就會(huì) 被磁場(chǎng)約束住。換句話說(shuō)，它們成了等離子體的一部分，而且是對(duì)應(yīng)于氘 分布函數(shù)高能尾巴上的那部分。這個(gè)高能尾巴被庫(kù)侖碰撞慢化，從而以加熱的方式把能量傳遞給背景等離子體。在 JET 實(shí)驗(yàn)中已成功實(shí)現(xiàn)了大約 Ti ≈ 20keV的溫度。 目前在 聚變反應(yīng)堆中 有關(guān) 利用中性束加熱等離子體直至點(diǎn)火 的問(wèn)題和前景可以簡(jiǎn)單綜述如下。 首先是物理問(wèn)題。對(duì)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。后者是為了能夠把能量沉積在最需要的地方。憑直覺(jué) 可以預(yù)期穿透深度應(yīng)該正比于束的能量，因?yàn)?低能束會(huì)導(dǎo)致大部分能量沉積在等離南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)論文 9 子體外側(cè)。如果束的能量太高，就會(huì)穿過(guò)整個(gè)等離子體把能量沉積在對(duì)面壁上。因此，一個(gè)重要的物理問(wèn)題就是確定束能量 Eb的最優(yōu)值使其能夠穿透小半徑 a的距離到達(dá)等離子體中心，也就是要確定 E = E(a)。第二個(gè)物理問(wèn)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(gè)過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單。通過(guò)庫(kù)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。一部分束能量加熱等離子體中的電子，剩下的部分加熱離子。它們的份額依賴于束能量與等離子體溫度的比值。高能束更傾向加熱電子。但是不管怎么樣，聚變反應(yīng)堆中具有足夠高的密度，可以使得電子和離子溫度迅速平衡?；谶@一點(diǎn)，假設(shè)所有的中性束能量事實(shí)上都沉積在等離子體中，然后平分給電子和離子。 目前的實(shí)驗(yàn)中，密度和小半徑都比反應(yīng)堆所要求的要小，現(xiàn)有的中性束技術(shù)是相當(dāng)令人滿意的。具體而言，目前可以產(chǎn)出優(yōu)化能量 100keV量級(jí)的高效率束，并把大部分束能量沉積在等離子體中心。然而，在反應(yīng)堆中，物理關(guān)系 E = E(a)意味著要求更 高的束能量（在 1MeV量級(jí)）以達(dá)到 更大的穿透深度。這就造成了一個(gè)相當(dāng)困難的技術(shù)問(wèn)題。具體來(lái)說(shuō)，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(duì)應(yīng)的效率是相當(dāng)令人滿意的（ η＝束功率／輸入 功率相當(dāng)高）。然而，隨著束能量提高，轉(zhuǎn)換效率迅速下降。這個(gè)不良的關(guān)系導(dǎo)致目前的正離子源技術(shù)不能夠成功地外推到反應(yīng)堆參數(shù)空間下。為解決這個(gè)問(wèn)題，人們提出了一種不同的策略，就是從負(fù)離子源出發(fā)產(chǎn)生中性束。理論預(yù)測(cè)利用負(fù)離子源的總體效率隨著能量的提高仍能保持很高的水平。但是產(chǎn)生這種源的技術(shù)更加復(fù)雜。就正、負(fù)離子源而言，更進(jìn)一步的 問(wèn)題是最后的中性束源都具有相當(dāng)大的體積，而且涉及大量的高技術(shù)部件。換句話說(shuō)，每瓦中性束功率的成本是相對(duì)較高的。 利用波在磁約束等離子體中的傳播和吸收性質(zhì)，選用一定頻段的電磁波，通過(guò)天線或波導(dǎo)將波功率發(fā)生器產(chǎn)生的強(qiáng)功率藕合到等離子體中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子體電子或離子的加熱，并最終達(dá)到整體等離子體溫度的提高。理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，有可能單獨(dú)應(yīng)用波熱方法或與中性束注入加熱方法聯(lián)合應(yīng)用，在基本不破壞等離子體整體約束性質(zhì)的情況下，將氘氚等離子體加熱到聚變?nèi)紵郎囟取Ｓ腥齻€(gè)波段的微波可供選用，這就是離子回旋頻段 （ ICRF）、電子回旋頻段 (ECRF）及低混雜頻段（ LHRF）。這三個(gè)頻段的微波在真空中的波長(zhǎng)分別屬于米波段，分南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)論文 10 米波段和厘毫米波段，因此與等離子體間的藕合方式也有很人差別。現(xiàn)簡(jiǎn)單討論波與等離子體相互作用和最終加熱等離子體的物理問(wèn)題。 對(duì)于波加熱，在物理和工程上有幾個(gè)環(huán)節(jié)的問(wèn)題需要研究。第一，研制可以在上述三個(gè)波段產(chǎn)生強(qiáng)功率的微波器件，并將產(chǎn)生的微波通過(guò)適當(dāng)?shù)膫鬏斁€傳送到等離子體所在區(qū)域。這些微波發(fā)生器的頻段對(duì)離子回旋頻段為 30~200Hz，可采用大 功率真空四極管；對(duì)低雜波頻段為 1~8GHz，可采用速調(diào)管；對(duì) 電子回旋頻段為 40~160GHz范圍，可采用回旋管。經(jīng)過(guò) 20 多年的研制，現(xiàn)在單管的微波功率已能達(dá)到 MW量級(jí)． 大 部分實(shí)驗(yàn)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(gè)大裝置中的高功率微波脈沖寬度己達(dá)幾十秒。對(duì)聚變堆來(lái)說(shuō)，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(dá)到幾十秒，如果用作波電流驅(qū)動(dòng)，則 微波的產(chǎn)生和傳輸都要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)。與波加熱相關(guān)的工程問(wèn)題，目前為止已 取得重大進(jìn) 展，應(yīng)用于反應(yīng)堆的前景是令人鼓舞的。第二，外加波能與等離子體的藕 合。被加熱的等離子體是一個(gè)有界的 不均勻介質(zhì) ，當(dāng)通過(guò)外部的藕 合系統(tǒng)（微波天線、波導(dǎo)）向等離子體發(fā)射大功率微波時(shí)，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(shí)，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(jì)算出可以傳入等離子體的波功率（確定藕合效率）。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(guò)非碰撞型機(jī)制 來(lái)實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)等離子體中的部分粒子與波的相互作用，波對(duì)這些粒子實(shí)現(xiàn)共振加速而把波能轉(zhuǎn)換為粒子的機(jī)械能的方式達(dá)到強(qiáng)的吸收。最后，這些被加速的粒子把能量傳給周?chē)入x子體而實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子體的整體加熱。 “中性束 一般指的是高能中性氘 原子束。目前中小型實(shí)驗(yàn)裝置上大多采用中性氫原子束。因?yàn)橹行粤Ｗ硬皇芗s束磁場(chǎng)的影響，因而可以直接注入到等離子體中。進(jìn)入等離子體后通過(guò)電荷交換和碰撞電離變成離子被磁場(chǎng)捕獲，再跟原有等離子體發(fā)生庫(kù)侖碰撞，把能量交給等離子體，從而達(dá)到加熱的目的，這種發(fā)法在托卡馬克、磁鏡等裝置中得到廣泛的應(yīng)用 重要辦法之一。 南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)論文 11 中性束源是一種四級(jí)結(jié)構(gòu)的設(shè)備，如圖 3 所示。它是這樣工作的：第一級(jí)的目的是產(chǎn)生低溫離子源。正離子由標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)產(chǎn)生，通過(guò)某種已經(jīng)很成熟的技術(shù)（如潘寧放電、針式陰極放電、“套筒狀源”等）產(chǎn)生低溫等離 子體，其正電荷部分即是正離子。一個(gè)已經(jīng)被成功解決的難題是令分子離子 D2:和 D3:的數(shù)目相對(duì)于原子離子 D:的數(shù)目最小 化。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(dǎo)致低穿透性和不希望的邊緣加熱。 另一方面，產(chǎn)生負(fù)離子則更困難。典型的負(fù)離子產(chǎn)生是通過(guò)低溫放電中電子附著在中性分子上得到的。這是負(fù)離子驅(qū)動(dòng)中性束源所面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)之一。盡管如此，負(fù)離子有一種特殊性質(zhì)是至關(guān)重要的，那就是電子只是微弱地 黏 附在中性原子上，因此它可以相對(duì)容易地剝落下來(lái)，即使在能量超過(guò) 100keV的時(shí)候。這個(gè)結(jié)果意味著高能量下有高的中性束轉(zhuǎn)換效率，也是負(fù)離子源相對(duì)于正離子驅(qū)動(dòng)源的最主要優(yōu)點(diǎn)。 現(xiàn)在， 假設(shè)已經(jīng)產(chǎn)生了一個(gè)低溫離子源，無(wú)論是正離子或者負(fù)離子放電。設(shè)備的第二級(jí)加速這些離子到高能量。離子在這一級(jí)到下一級(jí)之間通過(guò)一個(gè)包含許多小孔或者一些等電位柵格的薄面，從而被高電 壓加速。對(duì)于正離子，柵格上加的是負(fù)電壓，對(duì)于負(fù)離子加正電壓。輸入 的大部分電能都消耗在這個(gè)高電壓加速極上。加速級(jí)的輸出是高度定向的、幾乎單能的高能離子束。 南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)論文 12 高能離子進(jìn) 入 設(shè)備的第三級(jí)，即所謂中性化室。這里的基本構(gòu)造是一個(gè)長(zhǎng)管，其中充滿 密 度被精確控制的中性粒子。中性粒子通常和源離子是同一種元素，如氘 。對(duì)于正離子，當(dāng)它們經(jīng)過(guò)中性化室時(shí)，會(huì)經(jīng)歷被稱為“電荷交換”的非彈性碰撞過(guò)程。這時(shí)高能正離子從冷的中性粒子那里得到電子，也就是說(shuō)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。而負(fù)離子通過(guò)時(shí)，則由非彈性碰撞使得附著電子從原子上剝落而被中性化。對(duì)于這兩種類型的離子，中性化的效率非常不同。正離子中性化的效率隨著束能量增加而減小，而對(duì)于負(fù)離子而言，中性化效率則近似保持常數(shù)。無(wú) 論是正離子源還是負(fù)離子源，現(xiàn)在得到的都是我們希望注入 等離子體中的高能中性束粒子。 設(shè)備的最后一級(jí)是磁偏轉(zhuǎn)器。這一級(jí) 是必要的，因?yàn)橹行曰业妮敵鐾ǔ０烁吣苤行允Ｗ雍蜎](méi)有被中性化的高能離子。它們攜帶了相當(dāng)強(qiáng)的功率。離子由于具有電荷，如果注入等離子體中，其 直線軌道會(huì)被磁場(chǎng)強(qiáng)烈改變，因此很可能把它們的能量沉積在中性束注入 端口處。為避免這種情況發(fā)生，混合束就需要先通過(guò)偏轉(zhuǎn)器的磁場(chǎng)，使得帶電的離子被磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)掉，其能量在束終端被收集，如圖 3 所 示。 然后，剩下的中性束被注入 等離子體中。這里它們被重新電離并將能量沉積在背景等離子體中，這個(gè)過(guò)程正是通過(guò)反向的電荷交換碰撞來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如果可能的話，讓中性束如圖 4 那樣沿平行于磁軸方向注人是有利的，盡管這樣做在 幾何上更復(fù)雜，同時(shí)由于注入路徑更長(zhǎng)因而需要更高的束能量。垂直注入 簡(jiǎn)單一點(diǎn)，但是會(huì)產(chǎn)生具有大的垂直速度分量的高能離子。如果環(huán)向場(chǎng)波紋度比較大時(shí) ，這些粒子可能通過(guò)新經(jīng)典輸運(yùn)而迅速損失。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，中性束注入通常選取一個(gè)折中的角度，以便使幾 何上和束能量上的各種限制都能得到滿足。 南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)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(wèn)題是計(jì)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。具體來(lái)說(shuō)，就是要推導(dǎo) E = E(a)的表達(dá)式。推導(dǎo)過(guò)程并不復(fù)雜，主要取決于不同電離機(jī)制的反應(yīng)截面。 通常來(lái)說(shuō)，高能中性粒子有 3 種基本電離途徑：電荷交換、離子碰撞電離和電子碰撞電離。其中，電子碰撞電離是最微弱的一種方式，為簡(jiǎn)單計(jì)可以忽略掉?，F(xiàn)在先考慮電荷交換碰撞，這時(shí)高能中性粒子失去一個(gè)電子給冷離子。 DD 碰撞的能量交換反應(yīng)是： Db + Dp: → Db: +Dp 這里及后面的記號(hào)如下，下標(biāo)“ b”和 “ p”分別指“束”和“等離子體”。上標(biāo)“ +”表示正電荷，沒(méi)有上標(biāo)的表示中性原子。最后，不論有無(wú)電荷，束粒子總是高能的，而等離子體粒子總是低能的，它的能量大約是等離子體溫度。電荷交換過(guò)程的反應(yīng)截面 σe可以從原子物理研究中知道，如圖 5 所示。注意到在 50~100keV時(shí)，電荷交換截面開(kāi)始迅速減小。 電離過(guò)程的第二個(gè)主要貢獻(xiàn)來(lái)自于高能中性粒子與等離子體粒子的強(qiáng)烈碰撞。在這種情況下，中性粒子解體為一個(gè)離子和一個(gè)電子，二者速度都和原來(lái)中性粒子速度相當(dāng)。由于離子具有較大的質(zhì)量，因此主要能量由離子攜帶。相應(yīng)的反應(yīng)式為： Db + Dp: → Db: +Dp: +e。 這個(gè)過(guò)程的反應(yīng)截面 σi，．同樣可以從原子物理中獲得，也包含在圖 5 中。在 90keV下，電荷交換是主要的電離機(jī)制。而且注意到，雖然上面的反應(yīng)關(guān)系寫(xiě)的是 氘中性粒子和氘 離子碰撞，但無(wú)論是 束粒子還是等離子體粒子都可以換成氚 ，關(guān)系不會(huì)有明顯的變化。 南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)論文 14 接下來(lái)，考慮反應(yīng)截面和穿越深度的關(guān)系。當(dāng)中性束在等離子體中穿行并被吸收時(shí)，其通量 Γb ≡ nbvb按下述關(guān)系隨深度衰減： dΓbdx = ?np(σe +σi)Γb 這里 np是背景等離子體密度，它通常是 x的函數(shù)。然而，由于密度分布經(jīng)常是相當(dāng)平坦的，因此可以假設(shè) np ≈常數(shù)。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(duì)應(yīng)的 ,因此： Γb:(x) = Γb(0)(1 ?e。x/λ) 這里的衰減長(zhǎng)度 λ由下式給出 : λ = 1np(σe +σi) 穿透深度顯然與衰減長(zhǎng)度同量級(jí)。先來(lái)看垂直注入加熱，對(duì)于中心加熱，可令 λ~a。更定量化的定義由下面的簡(jiǎn)單推導(dǎo)給出。我們不希望出現(xiàn)短的衰減長(zhǎng)度（即 λ?。?，因?yàn)槟菢拥脑挻蟛糠帜芰烤蜁?huì)沉積在等離子體外側(cè)。長(zhǎng)的衰減長(zhǎng)度（即 λ大）則使得相對(duì)較高份額的能量沉積在等離子體芯部，但衰減長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)則會(huì)導(dǎo)致大量能量從等離子體遠(yuǎn)端逃逸，這同樣是不希望出現(xiàn)的情形。直觀上看，最好是這樣來(lái)選 擇束衰減長(zhǎng)度：在遠(yuǎn)端逃逸的束能量可以忽略的前提下盡可能選取大的λ。由于束離開(kāi)等離子體之前要穿越