核聚變與等離子體物理第二章3

1、托卡馬克工程托卡馬克工程托卡馬克等離子體實(shí)驗(yàn)裝置大致包括：n 裝置的核心部分是發(fā)生聚變反應(yīng)的區(qū)域，可以稱為裝置的主體。它主要由真空室和產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁體組成。在當(dāng)前裝置上還裝備了排除雜質(zhì)的偏濾器。n 圍繞裝置主體的部分，包括診斷系統(tǒng)、輔助加熱和電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以及抽氣和充氣系統(tǒng)，或者拿反應(yīng)堆的語言說是加料和排灰系統(tǒng)。n 以上兩部分均安裝在大廳中，和外界用屏蔽墻隔離開。而控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)、磁體電源和其它一些電源、長波波源安置在大廳以外。托卡馬克裝置各部分分解圖n 托卡馬克的磁體系統(tǒng)主要由環(huán)向場(chǎng)和極向場(chǎng)兩部分組成。n 環(huán)向場(chǎng)磁體的電流在極向，產(chǎn)生環(huán)向磁場(chǎng)約束等離子體。n 極向場(chǎng)磁體的電流在環(huán)

2、向，構(gòu)成歐姆加熱變壓器以產(chǎn)生和加熱等離子體，并保持等離子體的平衡。n 兩組磁體在空間是正交關(guān)系。在有些裝置上還安裝了一些產(chǎn)生局部磁場(chǎng)的磁體，可以稱為多極場(chǎng)，一、環(huán)向磁體一、環(huán)向磁體1、環(huán)向磁體 環(huán)向磁體產(chǎn)生約束等離子體的環(huán)向磁場(chǎng)。在所有的托卡馬克裝置上，環(huán)向磁體都是由分立的線圈組成。這些線圈的中心位于一圓形環(huán)軸上，線圈與環(huán)軸垂直。按照安培定律，線圈內(nèi)的磁場(chǎng)B和線圈電流I 以及總匝數(shù)N 的關(guān)系為：其中的積分為線圈內(nèi)繞環(huán)任意回路積分。01dNIBl 在分立線圈的布局下，局部的磁場(chǎng)值和線圈大小、形狀、數(shù)目都有關(guān)系。為求得實(shí)際的局部磁場(chǎng)值，須計(jì)算所有線圈磁場(chǎng)再予疊加。由于線圈在環(huán)軸周期分布，沿環(huán)向的磁

3、場(chǎng)變化也是周期性的。其變化大小和磁場(chǎng)平均值之比B/B稱為波紋度。它隨大半徑增加而增加，在等離子體外側(cè)達(dá)到最大。這一波紋度會(huì)影響等離子體的粒子約束和不穩(wěn)定性，所以不能超過一定范圍，一般在百分之幾以下。 在設(shè)計(jì)過程中，當(dāng)裝置參數(shù)、磁場(chǎng)強(qiáng)度決定后，首先決定環(huán)向場(chǎng)線圈的形狀和數(shù)目。其數(shù)目主要由可以容許的波紋度決定。2、受力分析和純張力線圈 磁體線圈中流過的電流和它自身產(chǎn)生的磁場(chǎng)相作用，產(chǎn)生電動(dòng)力，方向向外。一段線圈所受電動(dòng)力為BIdl ,dl 為線圈段長度。由于磁場(chǎng)強(qiáng)度與大半徑成反比，這個(gè)力也是不均勻的，總的效果是大半徑方向的擴(kuò)張力，和小半徑方向的壓縮力。這個(gè)電動(dòng)力產(chǎn)生線圈內(nèi)部很大的應(yīng)力，在線圈設(shè)計(jì)中

4、應(yīng)考慮到。特別是，因?yàn)樗芯€圈都有一個(gè)向心的電動(dòng)力，必須在中心處予以支撐。在電動(dòng)力和支撐件的共同作用下，在內(nèi)側(cè)上下端受很大扭力。 在B1/ R磁場(chǎng)形態(tài)中，存在一種純張力線圈。電動(dòng)力在其中引起的應(yīng)力是純張力，無垂直方向的切應(yīng)力。從受力角度這樣的線圈比較合理。它的形狀可用微分方程表示：其中k為一常數(shù)。這一方程無解析解，但可得到一積分式3 21ykyy 22ln dlnx xyCkx 常數(shù)C說明它可上下任意移動(dòng)。如果要上下對(duì)稱則C=0。常數(shù)k決定曲線的形狀。這一線圈接近于D形。所以在一些大的裝置中，環(huán)向場(chǎng)線圈往往做成這一形狀或稱D形。當(dāng)前所有大型裝置的環(huán)向磁體均采用D形的純張力線圈。EAST 的超導(dǎo)

5、環(huán)向場(chǎng)線圈1、歐姆變壓器 目前的托卡馬克都用歐姆變壓器來啟動(dòng)等離子體電流和進(jìn)行歐姆加熱。它的作用是提供一個(gè)穿過等離子體環(huán)區(qū)的變化磁通，感應(yīng)一個(gè)環(huán)向電動(dòng)勢(shì):其中為通過積分回路的磁通。 這一電動(dòng)勢(shì)使真空室內(nèi)氣體擊穿，形成等離子體，并在等離子體內(nèi)感應(yīng)電流。二、極向場(chǎng)系統(tǒng)二、極向場(chǎng)系統(tǒng)dddEElt 既然所要求的等離子體電流在環(huán)向，相應(yīng)的磁通應(yīng)在極向，就是和環(huán)正交的方向。而產(chǎn)生這樣的磁通的初級(jí)電流也應(yīng)在環(huán)向，和等離子體電流走向一致，但電流方向相反。這就是變壓器的原理。因?yàn)檫@一變壓器在產(chǎn)生的等離子體中感應(yīng)電流對(duì)其加熱，也稱歐姆變壓器。 歐姆變壓器有空芯和鐵芯兩種選擇。一般的空芯變壓器的主體是一個(gè)直的螺線

6、管，位于裝置中軸線、等離子體的內(nèi)側(cè)。它所產(chǎn)生的磁場(chǎng)大致為： N，I分別為匝數(shù)和電流。 = tan1 (R / L)，R和L 為螺線管的半徑和長度。一般有RL，B NI 。所以磁通為 =R2NI ，磁通變化d/dt直接由初級(jí)電流變化dI/dt決定。cosBNI單純螺線管歐姆變壓器足以產(chǎn)生需要的環(huán)向電動(dòng)勢(shì)。但是否能擊穿氣體形成等離子體則存在困難。這是因?yàn)椋邢揲L度的螺線管除了在其內(nèi)部產(chǎn)生軸向磁場(chǎng)，還在其外部產(chǎn)生反向的磁場(chǎng)，以構(gòu)成封閉的磁力線。這反向磁場(chǎng)在等離子體區(qū)和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向垂直，不利于氣體的擊穿，因?yàn)閹щ娏Ｗ邮茄卮帕€運(yùn)動(dòng)的。氣體擊穿要求在垂直環(huán)軸方向，或在小截面內(nèi)為零場(chǎng)，即磁場(chǎng)僅在環(huán)向。為

7、此，需要在環(huán)的外側(cè)另加一些加熱場(chǎng)線圈。其中的電流也和螺線管同向，但是在等離子體區(qū)產(chǎn)生方向相反的磁場(chǎng)，以互相抵消實(shí)現(xiàn)零場(chǎng)條件。托卡馬克的環(huán)向場(chǎng)線圈和空芯變壓器（EAST）將電動(dòng)勢(shì)寫為環(huán)電壓，對(duì)時(shí)間積分得到： 它的量綱也可以寫為Vs。 一個(gè)變壓器最大的磁通變化也稱為伏秒數(shù)，也就是對(duì)一定環(huán)電壓，等離子體可以維持的時(shí)間。對(duì)一定尺寸、溫度的等離子體，其環(huán)電壓在一定范圍內(nèi)，所以，為達(dá)到一定的放電時(shí)間，變壓器須具備一定的伏秒數(shù)。這是一個(gè)歐姆變壓器最重要的指標(biāo)。 0d0tV tt 伏秒數(shù)決定于變壓器線圈（螺線管和外線圈）的幾何尺寸或者說其電感，以及放電電流。為了增加這個(gè)伏秒數(shù)，一般使變壓器先向反向磁化到最大電

8、流，再使電流反向。此時(shí)使氣體擊穿，產(chǎn)生等離子體和感應(yīng)等離體電流。這樣，在最大電流為一定值條件下，使伏秒數(shù)加倍。 在一次放電中，首先啟動(dòng)環(huán)向場(chǎng)，在它達(dá)到或接近平頂時(shí)，啟動(dòng)變壓器反向磁化，但不使氣體擊穿。反向磁化達(dá)最大電流后，在正向磁化，使氣體擊穿，產(chǎn)生等離子體。環(huán)向場(chǎng)電流（TF）、變壓器初級(jí)電流（P1）和等離子體電流（plasma）波形2、鐵芯變壓器 歐姆變壓器也可以做成鐵芯的。這時(shí)，變壓器鐵芯由中心柱和回臂組成。回臂可以是單臂也可是多臂。一般多為雙臂，為常見的“日”字形。初級(jí)線圈纏繞在中心柱或回臂上，一般位于中心柱的對(duì)稱位置。變壓器鐵芯的材料為高磁導(dǎo)率的軟鐵材料。在鐵芯內(nèi)產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng)，并得到

9、高的環(huán)向電動(dòng)勢(shì)。鐵芯歐姆變壓器 鐵芯變壓器將螺線管返回的磁場(chǎng)約束在回臂中，不致在等離子體區(qū)產(chǎn)生大的垂直場(chǎng)，無須專門另用外線圈補(bǔ)償。這是鐵芯變壓器的優(yōu)點(diǎn)。 鐵心變壓器的最大磁通取決于鐵心的飽和。這個(gè)飽和磁場(chǎng)在2Tesla以上。其預(yù)先的反向磁化（也稱為偏磁場(chǎng)）可用不同的初級(jí)線圈進(jìn)行。鐵心變壓器雖有很多優(yōu)點(diǎn)，但很大的鐵心制造在工程上困難很大。3、平衡場(chǎng)磁體u變壓器提供的是極向磁場(chǎng)。提供極向磁場(chǎng)的還有另一組磁體，就是為了維持等離子體平衡的平衡場(chǎng)線圈。u對(duì)于小型傳統(tǒng)托卡馬克，它的等離子體小截面在r/R 量級(jí)上為圓形，r和R分別為其小和大半徑。維持其平衡的是一個(gè)帶空間梯度的垂直場(chǎng)。在大型裝置中，截面形狀不

10、再為圓，具體形狀與所加平衡場(chǎng)形態(tài)有關(guān)，所以這樣的平衡場(chǎng)線圈又稱為成形場(chǎng)。u平衡場(chǎng)在等離子體形成以后工作，以免妨礙氣體擊穿。4、矯正場(chǎng)空芯變壓器和鐵芯變壓器，由于其加工誤差、安裝誤差，也會(huì)出現(xiàn)所謂雜散場(chǎng)。它可能來自環(huán)向場(chǎng)線圈、極向場(chǎng)線圈，也可能來自破壞對(duì)稱性的導(dǎo)體分布如結(jié)構(gòu)材料的空間分布。這一雜散場(chǎng)常常表現(xiàn)為很強(qiáng)的環(huán)向磁場(chǎng)的少許偏離，實(shí)際上是很難精確測(cè)量的。雜散場(chǎng)主要影響擊穿，為了解決這個(gè)問題，一般須安裝矯正場(chǎng)。它由一組垂直矯正場(chǎng)線圈和一組水平矯正場(chǎng)線圈組成?？偨Y(jié)托卡馬克磁場(chǎng)體系的組成 環(huán)向場(chǎng) 極向場(chǎng)：加熱場(chǎng) 平衡場(chǎng)（成形場(chǎng)） 矯正場(chǎng)：垂直場(chǎng) 水平場(chǎng)它們的時(shí)序一般是先加環(huán)向場(chǎng)，然后是加熱場(chǎng)和矯正

11、場(chǎng)，擊穿以后再加平衡場(chǎng)。 除去上述環(huán)向場(chǎng)和極向場(chǎng)線圈以外，有些裝置還安裝了多極場(chǎng)線圈，這類線圈主要用于穩(wěn)定某些宏觀不穩(wěn)定性。1、材料和結(jié)構(gòu)對(duì)于一次放電，工作氣體主要來源于器壁表面吸附的氣體，表面狀況對(duì)于等離子體的純度至關(guān)重要。除去真空性能外，還要求真空室材料的電阻高、無磁。一般的無磁不銹鋼滿足一般裝置真空室的要求。一般采取焊接結(jié)構(gòu)。早期曾使用雙層真空室，以圖確保真空要求。內(nèi)真空室可做成薄壁，不承擔(dān)大氣壓力。目前運(yùn)轉(zhuǎn)的超導(dǎo)裝置也有使用雙層真空室的。ITER 的真空室是不銹鋼水冷雙層結(jié)構(gòu)，由9 段組成。三、真空室三、真空室ITER 真空室的兩個(gè)相連半段為隔離等離子體和真空室壁，一般都在真空室內(nèi)裝有

12、孔欄（限制器，limiter）。孔欄可作成安裝在小截面的環(huán)形，中孔通過等離子體。但實(shí)際上孔欄多做成塊狀，居于小截面的圓周的一部分，往往居于外側(cè)。由于等離子體的旋轉(zhuǎn)變換，在其電流中心由平衡條件決定后，孔欄的位置就決定了小半徑和等離子體的截面形狀?？讬诘淖饔檬潜Ｗo(hù)真空室壁，避免等離子體和壁的直接作用，減少粒子對(duì)壁的轟擊，降低氣體循環(huán)率?？讬谟酶呷埸c(diǎn)材料制成，如碳（石墨）、鎢、鉬。不同形式的孔欄 為適應(yīng)某些實(shí)驗(yàn)的要求，調(diào)節(jié)等離子體電位和電位分布，有時(shí)須安裝偏壓孔欄或稱偏壓電極。它應(yīng)與真空室絕緣，并能通過大電流（低電阻），最好能調(diào)節(jié)與等離子體的距離。 一種簡單的排除雜質(zhì)或聚變反應(yīng)產(chǎn)生的粒子的結(jié)構(gòu)稱為

13、抽 氣 孔 欄 （ p u m p i n g limiter）。這個(gè)蘑菇形的孔欄的邊緣處于等離子體的刪削層內(nèi)。一些從外界進(jìn)入等離子體的雜質(zhì)在進(jìn)入主等離子體前可能被孔欄散射而進(jìn)入抽氣管道而被排除。這一孔欄應(yīng)用低Z材料制成，避免濺射造成高Z雜質(zhì)污染。抽氣孔欄 測(cè)量設(shè)備應(yīng)盡量安裝在真空室外。必須安裝在真空室內(nèi)的設(shè)備如測(cè)量線圈應(yīng)使用能耐高溫材料，避免有機(jī)物質(zhì)。少數(shù)密封圈可以使用氟橡膠，但應(yīng)盡量遠(yuǎn)離等離子體。 托卡馬克等離子體內(nèi)的雜質(zhì)分輕雜質(zhì)重雜質(zhì)兩種。輕雜質(zhì)主要是O和C兩種。O來自水，C來自有機(jī)污染物。重雜質(zhì)主要是金屬雜質(zhì)，主要來自壁材料和其它真空室內(nèi)構(gòu)件的濺射。為減少雜質(zhì)污染，需對(duì)真空室壁進(jìn)行各種

14、處理。2，包層 包層（blanket）是聚變堆中置于真空室內(nèi)面對(duì)等離子體的屏蔽層，功能是吸收中子、傳輸能量、氚增殖。 ITER 的包層由冷卻劑（氦或水）、氚增殖劑、中子增殖劑和結(jié)構(gòu)材料組成。氚增殖劑為含鋰材料，由下列反應(yīng)產(chǎn)生氚： 6Li + n 4He + T + 4.78MeV 7Li + n 4He + T + n -2.47MeV 第二個(gè)反應(yīng)雖是吸熱的，但又產(chǎn)生一個(gè)中子，所以兩種增殖劑混合使用，可以使氚的增殖系數(shù)大于1。 為進(jìn)一步增殖中子，使用鈹或鉛作中子增殖劑，發(fā)生如下的反應(yīng) 9Be + n 24He + 2n3、真空室的壁處理技術(shù)p為改善真空室表面狀況，首先可用烘烤去氣。烘烤會(huì)在很大

15、程度上減少水汽。p其次，往往用放電的方法除去真空室表面的氣體，稱為清洗放電。最簡單的清洗放電是直流輝光放電。用一伸入真空室的電極作陽極，真空室作陰極即可。p特殊的壁處理技術(shù)是在真空室壁上復(fù)之以其它材料的薄膜。例如可鍍金屬薄膜，還往往鍍吸氣金屬膜如鈦膜。其作用是吸附從等離子體中逸出的原子或離子，減少氣體循環(huán)率。 為減少金屬粒子被濺射和污染等離子體，在真空室壁上可復(fù)之以低Z 材料的薄膜。一般選擇碳、硅或硼，稱為碳化、硅化或硼化。其方法是用氦作主要工作氣體，摻如CH4，SiH4，BH4，C2B10H12等有機(jī)氣體或蒸汽。也可敷涂鋰膜，稱為鋰化。這些技術(shù)都很大程度上降低了雜質(zhì)水平，改善了等離子體的約束

16、和提高了參數(shù)。4、排灰 從反應(yīng)堆角度說排灰系指將反應(yīng)產(chǎn)物，主要是粒子，排出真空室，從實(shí)驗(yàn)裝置角度是指抽氣和雜質(zhì)的排除。（1）抽氣系統(tǒng) 真空室的本底氣壓應(yīng)不低于10-5Par。實(shí)際上在長期運(yùn)轉(zhuǎn)以后，這一本底主要由工作氣體（氫同位素）構(gòu)成。普遍使用的真空泵有以下幾種：渦輪分子泵、濺射離子泵、吸附泵、冷凝泵。（2）偏濾器（divertor） 使用電流線圈（偏濾線圈）產(chǎn)生的磁場(chǎng)在等離子體外部形成封閉的帶有X交點(diǎn)的磁面（分支面），將分支面以外的磁力線引進(jìn)與主真空室相通的小真空室（偏濾室）內(nèi)，使這部分等離子體內(nèi)的帶電粒子沿磁力線流進(jìn)偏濾室，在室內(nèi)被中和并被抽氣系統(tǒng)抽出。 偏濾器實(shí)際是一個(gè)磁限制器，確定了等

17、離子體的邊界。但它的主要功能是減少、排除雜質(zhì)。因部分逸出等離子體的離子流進(jìn)偏濾器，它可以減少等離子體和第一壁表面的相互作用，減少返回等離子體的雜質(zhì)流。 在偏濾室內(nèi)一般有和磁力線相交的中性化板。帶電粒子可在偏濾室內(nèi)通過碰撞或在中性化板上復(fù)合為中性粒子，然后被與偏濾室相通的抽氣系統(tǒng)排出。5、加料（1）吹氣 所謂加料，指實(shí)驗(yàn)裝置中工作氣體的饋入，在反應(yīng)堆中指反應(yīng)物質(zhì)的饋入。在托卡馬克裝置中，必須在放電前和放電期間不斷饋入工作氣體。 早期加料方式是簡單的吹氣，應(yīng)用壓電晶體閥，閥門用一塊壓電晶體封住饋氣口。如果將直流電壓加到晶體上使其變形，閥門就會(huì)打開，使氣體進(jìn)入真空室。氣體通過速率大致與電壓成正比，但

18、重復(fù)性不很好。 大中型裝置的電子溫度密度到很高，中性粒子在等離子體邊緣區(qū)就被電離約束，不能對(duì)等離子體中心區(qū)直接加料。（2）彈丸注入 這是一種能有效進(jìn)行中心區(qū)加料的技術(shù)，即向等離子體注入冷凍的氫或氘丸。這樣的彈丸用特殊設(shè)計(jì)的彈丸發(fā)生器產(chǎn)生。在這樣的裝置中，氣體被冷凍為固態(tài)的圓柱體，然后截?cái)喑梢欢ㄩL度的彈丸，用壓縮氣體射入托卡馬克真空室。u這樣的彈丸的直徑大約幾個(gè)毫米，速度從每秒幾百米到幾千米。u彈丸在托卡馬克等離子體內(nèi)被電子轟擊而蒸發(fā)汽化電離，成為等離子體的一部分，因而達(dá)到加料的目的。u適當(dāng)選擇彈丸的尺寸和速度，可以控制它在等離子體中心處消融，彈丸注入系統(tǒng)可以做成連發(fā)彈丸，在一次放電中多次加料。u實(shí)驗(yàn)證明，在強(qiáng)場(chǎng)側(cè)注入，可以在較小的速度下達(dá)到更深的穿透距離并有較