利用磁場約束聚變反應電漿運動的系統就稱為磁約束系統。在聚變反應中，電漿的溫度極高，任何材料的器壁都承受不了，因此必須將它與周圍隔離。目前，主要進行的嘗試途徑是使用磁約束，同時，隨著大功率雷射器的發展，又提出了用雷射來引發核聚變的慣性約束途徑。
基本介紹
- 中文名：磁約束系統
- 外文名：Magnetic confinement system
- 領域：新能源發電
- 原理：利用磁場約束電漿運動
- 目的：控制熱核聚變
- 套用：磁約束核聚變發電
磁約束原理,磁約束類型,磁約束受控核聚變實驗裝置,
磁約束原理
磁場是大家都很熟悉的，在任何磁鐵的周圍都存在著磁場，一根通電的導線在其周圍也有磁場存在。對於受控核聚變的研究來說，最感興趣的是電流的磁場，因為電流的流向、強度、通斷都比較容易控制，因而能得到形狀、強度、分布等都比較理想的磁場，這對於有效地約束高溫電漿具有決定性的意義。
電流的流向與磁場的形狀、方向有著簡單而明確的關係。沿著直導線流過的電流，其磁場是環形的，沿著螺旋形導線流過的電流，則其磁力線是直線的。它們之間的關係可按右手法則確定，如圖1所示。
圖1 右手法則
圖1 右手法則電流在磁場中流過時，產生一定的作用力。電動機即是根據這個原理製成的。在核聚變研究中將利用這個作用力來約束高溫電漿。電流、磁場、作用力三者之間的關係可按左手法則確定，如圖2所示。
高溫電漿就是由高速運動的荷電粒子(離子、電子)所構成，尤如電流一樣，把它們放置在磁場之中，這些粒子的運動方向就會由於受到磁場的作用力而發生變化，從而為約束提供了具體的可能性。運動的帶電粒子在磁場中受力的大小，除與磁場強度、粒子電荷的大小有關外，還與粒子運動的方向有關。只有當粒子運動方向與磁場相垂直時，磁場才對它施加最大可能的作用力。如粒子沿磁場方向運動，則作用力為零。如粒子運動方向與磁場有一定夾角，則作用力決定於垂直於磁場的速度分量。這樣，帶電粒子在磁場中運動時，就受到磁場的作用力而約束。磁場越強，或者粒子的電荷越大，則受到的約束越強。另一方面，如果粒子的質量越大、速度越快，則該粒子具有的反約束能力就越大。如果磁場能把所有的燃料粒子都約束住，則該磁場就能成功地起到任何容器都起不到的作用—約束高溫電漿．和沒有磁場的情況相比，粒子再也不能自由地向四面八方運動，而是沿著一螺旋形的軌道運動。當然，由於電漿內荷電粒子的電荷不同(有正有負，有多有少)、質量不同、速度不同，各個粒子的軌道是不同的，粒子之間不可避免地發生碰撞，並可能引起粒子的損失。這種損失叫作“經典擴散”。經典擴散是一種無法避免的損失過程，但是在核聚變中，這種損失並不嚴重。
圖2 左手法則
圖2 左手法則當帶電粒子受磁場約束，沿螺旋線運動時，帶電粒子本身又要產生自己的磁場，而且這個磁場的方向總是和外磁場方向相反，如圖3所示。帶電粒子在方向向下的勻強磁場B0中以速度V向里運動，這時粒子受到一個向左的磁場力F，使粒子按逆時針方向旋轉向上運動。此時，由帶電粒子構成的螺旋形電流產生它自己的磁場B'，其方向向上，因而削弱B0的強度。這就是說，被約束的粒子將用自己的磁場來削弱對它的約束。顯然，被約束的粒子越多，它們的速度越快，則B0被削弱得越厲害．
圖3
圖3磁約束類型
由前述可知，在強磁場的約束下，一定密度的電漿將被限制在某一特定的空間區域內，每個粒子都將沿著一根螺旋形的軌道繞著磁力線旋進。只要這些螺旋形軌道充分地長，那么帶電粒子就可以被約束足夠長的時間，對氘-氚反應來說，約束時間0.01秒至1秒即可，則自持熱核反應就能夠得以實現。但是，原子核粒子的速度極高，達每秒幾千公里，即以V=1000公里/秒計算，約束0.01秒時間，需要的磁場長度也要10公里長。如要約束1秒鐘，則磁場長度要有一千公里。因此，採用直管型磁場實際上是不可能的。為了克服粒子從終端逃走所帶來的損失，人們想了很多辦法，其中最有效的不外乎這么兩大類：一種是在直管的終端加上某種“塞子”，用以把粒子堵住，或者說在這裡設定某種“鏡子”把粒子反剿回去，另一類是把直管彎曲起來委成環管，如圖4所示。前者稱為“開端約束”，而後者稱為“封闊型約束”．籠統地講，封閉型約束系統多數是環形的，另外也有的做成8字形或跑道形。在這種系統中，粒子不能沿著磁力線方向逃竄，終端損失問題不復存在。但是磁場的彎曲又造成許多新的問題。托卡馬克系統、仿星器系統、環型箍縮系統都是屬於這種類型的實驗裝置。 
圖4
圖5
圖4圖5開端約束的構想是通過所謂“磁鏡系統”來實現的。最簡單的磁鏡結構如圖5所示，用許多匝線圈纏繞在一根直的管狀反應室上，而且兩端的線圈比中間密。如果每一匝線圈上的電流強度都一樣，那么管子兩端的磁場必然比中間強。這樣，繞著磁力線旋進的粒子一旦進入管口的強磁場區，就會受到一個把它推回去的磁場力。對於大多數粒子來說，這個力將迫使它把旋進速度放慢，即軌道螺距縮短，然後停下來，並且折回去，如圖6所示。這樣的粒子將返回管室中心區域，接著又向另一端旋進。就這樣，帶電粒子就象光線在兩個鏡子之間來回反射似地，被約束在管室之中，熱核反應就在其中進行。“磁鏡”的名稱即由此而來。但是，對於這樣的系統，終端損失仍然存在，不可能完全避免。為了使磁鏡裝置能更有效地約束電漿，對於一定強度的中心磁場來說，磁鏡場越強越好。
圖6
圖6磁約束受控核聚變實驗裝置
由於在熱核溫度下，被約束的電漿行為極為複雜，在各種類型的實驗裝置中普遍存在著擴散、漂移、不穩定性等損失機理，所以粒子的約束時間很短，距離實現自持的熱核反應尚有相當差距。現在，人們正在進行多途徑的探索，同時進行著許多不同類型的實驗。如果在這種多途徑探索的任何一種實驗系統達到自持反應所要求的溫度條件及勞遜條件，則就為建成具有實用意義的反應堆創造了條件。當前世界上正在進行的磁約束實驗可以分為四大類：箍縮裝置、仿星器系統、托卡馬克系統、磁鏡系統。
