第四章：核聚變高溫等離子體應(yīng)用(已改無錯字)
2022-11-24 04:34:26 本頁面
【正文】 它使帶電粒子受到一指向右邊的力，從而使帶電粒子邊回旋邊向右面移動， 進(jìn)入較弱磁場區(qū)。 P2 點位置，由于這里磁場較弱，回旋半徑增大，磁場 B 沒有徑向分量，粒子不再獲得向右加速 ，但由于粒子具有向右的速度，它能 繼續(xù)向右運(yùn)動，從而進(jìn)入右邊較強(qiáng)的磁場區(qū)。在右端磁場區(qū)，帶電粒子受到 軸向和徑向磁場作用，但徑向分量與前相反，所以粒子受到的軸向磁場力方 向向左。 所以，粒子總是受到指向磁場 減弱方向的軸向力， 稱為 磁鏡效應(yīng)。 使帶電粒子在磁 鏡之間來回震蕩。 磁鏡約束 : 例： 地球磁場是一個天然的磁約束捕獲器，它使來的宇宙射線和太陽風(fēng) 中的帶電粒子在南北極之間震蕩。形成范阿侖 輻射帶。兩端磁力線強(qiáng) , 中間弱，形成磁瓶，約束粒子。 為防粒子從一定角度逃逸，磁約束聚變堆設(shè)計成環(huán)形。 丌穩(wěn)定性 : 等離子體受到自身電流產(chǎn)生的磁場作用下引起收縮 ,稱箍縮效應(yīng) . 箍縮效應(yīng)產(chǎn)生壓強(qiáng)不粒子熱運(yùn)動平衡 .丌穩(wěn)定因素如 : a)扭曲丌穩(wěn)定 : 小小彎曲 =凹側(cè)磁場 凸側(cè)磁場 =更彎 b) 臘腸丌穩(wěn)定 : 粗細(xì)略有丌均勻 =進(jìn)一步變細(xì) . 由亍這些丌穩(wěn)定因素 ,人造等離子體常在極短時間內(nèi)就分崩離析 . Toroidal Field Coil Poloidal Field Coil 磁約束是利用強(qiáng)磁場約束帶電粒子 . 變壓器原邊合上開關(guān)后 ,通過電磁感應(yīng) ,副邊 產(chǎn)生高壓 ,擊穿而電離從而產(chǎn)生等離子體 . 本身電流加熱 ,且能約束等離子體 . 除了本身電流加熱外 ,還有各種輔助加熱手段 . 磁場愈強(qiáng) ,帶電粒子回旋半徑愈小 ,所以 ,強(qiáng)磁場能約束帶電粒子的運(yùn)動 . 極向場線圈 環(huán)形線圈 垂直方向磁場 水平方向磁場 結(jié)合成螺旋方向的總磁場 此圖來源 :Princeton Plasma Physics Lab 1. 環(huán)形線圈 環(huán)狀磁瓶 希望帶電粒子無休止地繞磁力線運(yùn)動 ,但達(dá)到穩(wěn)定的約束很難 .因為 磁力線在內(nèi)側(cè)強(qiáng) ,外側(cè)弱 .會把粒子推向外側(cè)壁從而失去約束 . 2. 環(huán)形箍縮裝置 原理 :電流通過等離子體時 ,產(chǎn)生的磁場對等離子體有箍縮效應(yīng) . +變壓器原理 見圖 . 原線圈通過一開關(guān)與一組高壓電容器相連 . 環(huán)形反應(yīng)室作為變壓器的副線圈 . 反應(yīng)室里充入等離子體核燃料 .合上開關(guān) ,充了電的電容向 原線圈放電 ,產(chǎn)生強(qiáng)脈沖 電流 ,同時反應(yīng)室內(nèi)的等離子體中感應(yīng)出更強(qiáng)大的電流 .這個電流將對等離子體自身 產(chǎn)生箍縮壓力 ,從而使等離子體被約束在一個環(huán)內(nèi) . 同時 ,由于強(qiáng)大的電流通過等離子體起了加熱的作用 ,使溫度上升 . 等離子體受箍縮變細(xì) ,但不穩(wěn)定 ,磁場分布也不均勻 . 3. 兩者結(jié)合 , 即在環(huán)形箍縮裝置中的環(huán)形反應(yīng)器外面繞上線圈 ,并通以電流 . 它產(chǎn)生 軸向磁場 B2. 見圖 . 疊加后形成總磁場 B. 理論和實驗均證明約束效果好。帶電粒子幾乎可以無休止地在反應(yīng)室內(nèi)繞磁力線 旋進(jìn)，由于磁力線呈螺旋形，在繞環(huán)形管一周后并不自相閉合， ∴ 粒子一會到 環(huán)管內(nèi)側(cè)，一會到外側(cè)，不會由于磁場不均勻而電荷分離。 這種磁約束結(jié)構(gòu)相對較簡單，較易制造。 ︱ B1 B2 原邊 變壓器 副邊 圖： ITER核融合實驗裝置的示意圖，以一個二米的人形來顯示其大小。 (此圖是由Princeton Plasma Physics Laboratory提供。 ) 主要 組件： 真空室 環(huán)形 ,外面套環(huán)形磁場線圈 . 等離子體腔室 . 磁場線圈 . 變壓器為磁場線圈供電 .超導(dǎo)磁體 . 冷卻設(shè)備 —冷卻磁體 . 包層模塊 , 鋰 ,吸收熱能和高能中子 . 收集器 收集氦產(chǎn)品 . 水冷回路 ,將熱量經(jīng)熱交換器形成蒸汽 ,蒸汽驅(qū)動電渦輪發(fā)電 , 形成的水進(jìn)入熱交換器 . 慣性約束聚變 依靠物質(zhì)的慣性約束等離子體 . 依靠粒子束 (激光束 ,或電子束 ,離子束 ) 加熱氘氚靶丸 (約 1mm左右 ) 由于粒子的慣性 ,在尚未嚴(yán)重飛散之前 ,完成適度的核聚變 . 現(xiàn)代激光技術(shù)能產(chǎn)生聚焦良好的 ,能量巨大的脈沖光束 ,多路高強(qiáng)脈沖激光束 對稱地集射到靶上 ,靶表面消融為高溫等離子體 ,高速向外噴射 .其反沖力擠壓靶心 靶心溫度 ,密度急劇升高 ,而產(chǎn)生聚變 . 在十億分之幾秒時間里 ,激光被靶丸吸收 ,周圍形成幾千萬 176。 C度的高溫等離子體 , 大部分外層向外噴射 ,其反沖力形成聚心
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