磁約束（magnetic confinement），用磁場來約束電漿中帶電粒子的運動。主要為可控核聚變提供理論與技術支持，其主要形式為托卡馬克裝置與仿星器裝置。
基本介紹
- 中文名：磁約束
- 外文名：magnetic confinement
- 主要形式：托卡馬克、仿星器
- 套用：核聚變技術
原理,磁約束位形,直線位形,環形位形,研究裝置,托卡馬克,反向場箍縮,串級磁鏡,球形環,仿星器,方案設計要求,
原理
組成聚變電漿的電子、燃料的離子及非燃料元素的離子(雜質)，以及它們攜有的能量，可以通過多種物理過程從約束區域流失。這些過程包括粒子軌道與器壁相交引起的直接損失， 由粒子間碰撞及粒子群集體相互作用引起的擴散和熱傳導， 各種輻射損失等。
氘、氚等較輕的原子核聚合成較重的原子核時，會釋放大量核能，但這種聚變反應只能在極高溫下進行，任何固體材料都將熔毀。因此，需要用特殊形態的磁場把由氘、氚等原子核及自由電子組成的一定密度的高溫電漿約束在有限體積內，使之脫離器壁並限制其熱導，這是實現受控熱核聚變的重要條件。
利用強磁場能大幅度地減小帶電粒子橫越磁力線擴散和導熱的特性， 使處在磁場中的高溫電漿的芯部與容器的器壁隔離開。
磁約束位形
從幾何形態上分，磁約束位形分為直線位形和環形位形。
直線位形
直線位形的代表是磁鏡，其電漿約束區的結構像一個紡錘(圖1)。其原理是一部分帶電粒子(相對於磁力線方向而言，其速度的垂直分量大於一定的臨界值)會從磁場較強的端塞區反射回來，於是在磁場較弱的中部形成約束區。由附加的複雜的磁場保證電漿的巨觀穩定性。但是，由於粒子的碰撞作用，帶電粒子在一定時間內仍能從磁縫中逸出，這是磁鏡位形要解決的主要問題。目前提出用多級鏡來減小這種損失，稱為串級磁鏡。不過，磁鏡裝置實驗得到的總體電漿參數離建聚變堆的差距太大，現在磁鏡位形的研究已基本停止。
環形位形
環形位形是各種磁力線封閉在空間“環形”區域中的位形的總稱(不一定是圓環)，包括托卡馬克、仿星器(及一般地稱作先進環形位形)、反向場位形等。帶電粒子不會沿磁力線逸出約束區，但由於環形不均勻性，粒子可以橫越磁場做漂移運動，電子和離子的漂移方向相反，因而會引起電荷分離，這一過程中的電場具有破壞整體約束的作用。解決的辦法是引起沿環的徑線方向的磁場(“極向”磁場)，也稱對磁力線進行旋轉變換，使磁力線成為環形螺線。這樣一來大部分的粒子的軌道將閉合，如果對總體磁場進行最佳化設計，可以保證電漿的整體巨觀穩定性。
研究裝置
磁約束研究的主要途徑現有托卡馬克裝置、先進環形裝置(仿星器)、反向場箍縮、球形環及串級磁鏡等。
托卡馬克
環流器反向場箍縮
這是一類環向磁場強度較低(與托卡馬克相比)，環向電流較強的位形，因靠近邊緣區的環向磁場與中心區的環向磁場方向相反而得名。理論分析認為這類位形具有更高的穩定比壓值。電漿因電流的焦耳熱及湍流過程而得到加熱，也可引入中性束等二級加熱。實驗研究獲得了穩定運行的參數區，但溫度、密度都較低。與托卡馬克比，輸運損失明顯地大，而且雜質含量很高。
串級磁鏡
簡單的磁鏡位形中氘氚電漿的品質因子(聚變功率與加熱功率之比值)必定小於1，只有串級磁鏡才有可能建成聚變堆。主要原理是在磁鏡端塞處建立電位壘來阻止粒子沿磁力線的快損失，建立“熱壘”來減小電子熱傳導。由於大型串級磁鏡裝置的建造方案未被批准，現在只有幾個較小規模的裝置在進行原理性研究。
球形環
又稱小徑比托卡馬克，其電漿的大半徑與小半徑之比可減小到1.2左右。這種位形具有很高的穩定比壓值(已經實現大於40%的平均比壓，為托卡馬克的5倍)，因而有很高的功率密度。裝置結構相對簡單，環向磁場通過中心導體柱流過的電流產生，極向電流中含較大比例的自舉電流，因此降低了電流驅動的要求。可以採用中性束注入及波加熱。磁體可以採用銅導體，聚變堆可以小型化，可能在核廢料處理及強中子源方面首先得到套用。幾個較大規模裝置即將投入運行。
仿星器
為了避免帶電粒子的流失，科學家曾經把磁力線連同電漿彎曲連線成環形。後來又改進為呈8字形的圓環形磁力線管，稱為仿星器。
儘管托卡馬克被認為是人類未來最具有實用價值的可控核聚變裝置，但仿星器也得到了世界不少科學家的研究興趣。仿星器最早是由 Lyman Spitzer發明的並且在第二年建成，它在50-60年代曾十分流行。
德國科學家認為，仿星器可能是最適合未來核聚變電廠的類型。德國正在建造的世界上最大的仿星器實驗室被命名為Wendelstein X-7。
stellarator方案設計要求
組成聚變電漿的電子、燃料的離子及非燃料元素的離子(雜質)，以及它們攜有的能量，可以通過多種物理過程從約束區域流失。這些過程包括粒子軌道與器壁相交引起的直接損失， 由粒子間碰撞及粒子群集體相互作用引起的擴散和熱傳導， 各種輻射損失，等等。一種合乎要求的磁約束方案必須同時解決三方面的問題：①能很好地約束帶電粒子；②能確保聚變電漿處於穩定的巨觀平衡態；③具有良好的橫越磁場的輸運(擴散和熱傳導)特性和在合理程度上控制雜質。
