電漿約束原理

基本介紹

• 外文名：plasma confinement

將高溫電漿維持在特定的空間區域中足夠長的時間，從而使聚變反應能充分地進行的方法。核聚變要在10K以上的高溫下才能有效地進行，此時燃料(如氘氚混合體)早已成為完全電離的物質——高溫電漿，不可能用常規的容器盛裝。現正在進行研究的聚變電漿的約束分兩類:即磁約束和慣性約束。磁約束的基本思想是: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；慣性約束則利用極高功率的雷射或粒子束能在瞬間使燃料靶丸化成相當高溫的電漿，並能使其中一部分繼向內壓縮成極高密度的電漿(“聚爆”)的特性，在這部分高溫電漿飛散之前完成足夠數量的核聚變。這裡討論的電漿約束僅指磁約束。

磁約束原理

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。

磁約束電漿位形

為滿足上述要求，要設計特殊的磁場位形(由外部電流及電漿內部電流產生的磁場結構)。從幾何形態上分，磁約束位形分為直線位形和環形位形。直線位形的代表是磁鏡，其電漿約束區的結構像一個紡錘。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反應堆的差距太大，現在磁鏡位形的研究已基本停止。

磁鏡位形示意圖

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。

環形場與極向場合成的環形螺線

輸運損失和約束定標

中心約束區電漿的能量主要通過輸運過程和輻射逐漸損失，現在觀察到的各種環形裝置中的電漿的輸運損失都反常地大(與經典碰撞輸運相比)，並與位形特性和電漿參數有關。通常統觀地用電漿的粒子約束時間τP和能量約束時間τE來描述電漿的總體約束特性，考察它們與位形特性和電漿參數間的關係，包括約束區的幾何尺寸、磁場大小、電流大小及密度、溫度等。這種關係稱為定標律。確定定標關係是聚變實驗和理論研究的主要目的之一。目前對托卡馬克位形的定標關係了解得最為完整。其中一個重要現象是，當在歐姆加熱基礎上進一步採用中性束和波加熱時，能量約束時間將隨總加熱功率的增大而按Pt-1/2的規律減小，通常條件下的這種約束定標稱為L-模定標(即低約束定標)。當對位形進行最佳化並改進器壁條件後，發現能量約束時間可以較上述L-模所確定的高几倍，通稱H-模定標(高約束定標)。托卡馬克實驗證實，可以用多種方式產生具有改善約束的位形，其中一些位形有可能將穩定比壓值提高几倍，而輸運損失減小几倍，從而使聚變反應堆的尺寸和其他工藝要求有所降低，最終大幅度降低反應堆的造價，使磁約束聚變的經濟性大幅度提高。

電漿與器壁相互作用及雜質控制

良好的約束位形並不能完全避免電漿與物質材料(器壁、隔離孔闌、偏濾器靶板)接觸，因而也不能避免雜質的產生和進入主約束區。但已經提出和實驗研究了多種控制雜質的方案，包括採用偏濾器及控制邊緣區電漿參數。要成功地長期運轉聚變反應堆，還應解決中心約束區產生的熱量的排放及氦灰的排除問題，這也是偏濾器應具有的功能。原則上，器壁材料和偏濾器靶板材料受電漿的作用會不可避免地受到損傷(材料的腐蝕)，但應設法減小腐蝕率。隨著磁約束聚變研究進入到建造實驗反應堆階段，這類更具工程性質的課題已變得非常重要，成為大型裝置研究的主要內容之一。

磁約束研究的主要途徑

現有托卡馬克、先進環形裝置(仿星器)、反向場箍縮、球形環及串級磁鏡等。