磁约束受控热核聚变研究中的物理问题课件

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1、磁约束受控热核聚变研究中的磁约束受控热核聚变研究中的物理问题物理问题董家齐董家齐核工业西南物理研究院核工业西南物理研究院浙江大学聚变理论与模拟中心浙江大学聚变理论与模拟中心 概要概要一、引言一、引言二、高温等离子体的约束和输运二、高温等离子体的约束和输运 三、磁约束等离子体中的自组织现象三、磁约束等离子体中的自组织现象四、磁场重联和等离子体流四、磁场重联和等离子体流 五、五、ITER ITER 简介简介六、结束语六、结束语一、引言一、引言 受控核聚变在现代物理学中的地位受控核聚变在现代物理学中的地位：2003年诺年诺贝尔物理学奖获得者贝尔物理学奖获得者Vitaly L.Ginzburg在他的在

2、他的获奖演说中列出了二十一世纪初物理学的三十获奖演说中列出了二十一世纪初物理学的三十个重要领域（个重要领域（“physical minimum”at the beginning of the XXI Century）。出人意料的是，）。出人意料的是，他没有把让他走上领奖台的研究领域他没有把让他走上领奖台的研究领域-超导和超超导和超流，而是把受控核聚变流，而是把受控核聚变(controlled nuclear fusion)列于其首列于其首11。在对此作解释时，他提到了。在对此作解释时，他提到了1978年诺贝尔物理学奖获得者年诺贝尔物理学奖获得者P.L.Kapiza的获奖演的获奖演说的题目是：等

3、离子体和受控热核反应。说的题目是：等离子体和受控热核反应。受控核聚变：受控核聚变：是让轻原子核（主要是氢及其同是让轻原子核（主要是氢及其同位素氘和氚）聚合所产生的核能以可控的方式位素氘和氚）聚合所产生的核能以可控的方式释放出来并有可观的能量增益的核反应释放出来并有可观的能量增益的核反应 D+DT(1.01 Mev)+P(3.03 MevD+DT(1.01 Mev)+P(3.03 Mev)D+DHe D+DHe3 3(0.82 Mev)+n(2.45 Mev(0.82 Mev)+n(2.45 Mev)D+THe D+THe4 4(3.52 Mev)+n(14.06 Mev(3.52 Mev)+n

4、(14.06 Mev)氢弹爆炸氢弹爆炸是核聚变反应，但它是瞬间的、不可是核聚变反应，但它是瞬间的、不可控的。控的。太阳上的核聚变反应太阳上的核聚变反应是持续的是持续的、不可控的。、不可控的。受控核聚变能源：受控核聚变能源：资源丰富（足够用上几百亿资源丰富（足够用上几百亿年）、洁净（无污染）、安全（核事故概率几年）、洁净（无污染）、安全（核事故概率几乎为零）且经济（消费者可以承受）乎为零）且经济（消费者可以承受）受控热核聚变是与将来的经济发展、社会进步、人类受控热核聚变是与将来的经济发展、社会进步、人类文明密切相关的有广阔应用前景的重大研究领域。文明密切相关的有广阔应用前景的重大研究领域。受控热

5、核聚变研究中有极具科学探索性和对人类智慧受控热核聚变研究中有极具科学探索性和对人类智慧的挑战性的基础科学问题。的挑战性的基础科学问题。受控热核聚变研究的基本思想受控热核聚变研究的基本思想:氢（氘和氚）氢（氘和氚）等离子体等离子体(电子和原子核混合而成的电子和原子核混合而成的完全电离气体完全电离气体)高温等离子体高温等离子体核聚变核聚变 磁约束聚变磁约束聚变(托卡马克托卡马克)和惯性约束聚和惯性约束聚(激光打靶和激光打靶和Z箍缩箍缩)受控热核聚变研究中，无论磁约束还是惯性约束或受控热核聚变研究中，无论磁约束还是惯性约束或Z箍箍缩中，都存在很多有普遍科学意义的问题。我们将简缩中，都存在很多有普遍科

6、学意义的问题。我们将简要介绍磁约束聚变研究中的几个物理问题。要介绍磁约束聚变研究中的几个物理问题。二、高温等离子体的约束和输运二、高温等离子体的约束和输运 受控核聚变要解决的首要问题：受控核聚变要解决的首要问题：将高温、高密等离子将高温、高密等离子体约束在有限的范围内达到足够长的时间体约束在有限的范围内达到足够长的时间在单位时在单位时间内发生足够多的核聚变反应间内发生足够多的核聚变反应 带电粒子在磁场中的运动：带电粒子在磁场中的运动：沿磁力线自由运动沿磁力线自由运动+在垂直在垂直于磁场方向的回旋运动于磁场方向的回旋运动 环形磁约束系统：环形磁约束系统：托卡马克（托卡马克（a a）和仿星器）和仿

7、星器(b)b)2/cTm qB 环状位形中环状位形中捕获粒子捕获粒子的的香蕉轨道香蕉轨道 经典扩散、新经典扩散经典扩散、新经典扩散和和反常输运反常输运：，实验发现，离子和电子横越磁力线的热扩散系实验发现，离子和电子横越磁力线的热扩散系数分别约为新经典理论预言值的十倍到一百倍数分别约为新经典理论预言值的十倍到一百倍 漂移运动漂移运动和和微观不稳定性微观不稳定性：ITG,ETG,TEMITG,ETG,TEM.集体效应主导的输运集体效应主导的输运 2D2)(rD 有待解决的基本问题有待解决的基本问题:1,1,离子能量的反常输运离子能量的反常输运:湍流的发展过程、饱和湍流的发展过程、饱和机制、饱和幅值

8、及其与等离子体参数的关系等，机制、饱和幅值及其与等离子体参数的关系等，仍然不能从理论上准确计算离子的热传导系数仍然不能从理论上准确计算离子的热传导系数;2,2,电子能量反常输运电子能量反常输运:引起反常输运的微观不稳引起反常输运的微观不稳定性的驱动机制定性的驱动机制;湍流的发展过程、饱和机制、湍流的发展过程、饱和机制、饱和幅值及其与等离子体参数的关系等饱和幅值及其与等离子体参数的关系等;这将是今后一段时间各国的研究人员从理论、这将是今后一段时间各国的研究人员从理论、计算机数值模拟和实验等方面进行深入研究的计算机数值模拟和实验等方面进行深入研究的一个课题。一个课题。三、磁约束等离子体中的自组织现

9、象三、磁约束等离子体中的自组织现象 磁约束等离子体磁约束等离子体是一个非平衡态多体系统是一个非平衡态多体系统 磁约束等离子体磁约束等离子体是一个自由度十分巨大、具有丰富的是一个自由度十分巨大、具有丰富的集体运动模式的复杂系统集体运动模式的复杂系统 磁约束等离子体中磁约束等离子体中存在丰富的非线性的力学和电磁效存在丰富的非线性的力学和电磁效应应 磁约束等离子体中磁约束等离子体中观察到众多观察到众多自自组织物理现象组织物理现象,这些现这些现象都可看作是非线性力学系统中的自组织现象在磁约象都可看作是非线性力学系统中的自组织现象在磁约束等离子体中的具体表现，具有很重要的普遍意义，束等离子体中的具体表现

10、，具有很重要的普遍意义，同时又很典型，内容很丰富同时又很典型，内容很丰富 有丰富的实验数据有丰富的实验数据,但通过对资料和数据的分析去探索但通过对资料和数据的分析去探索其背后的深层次的物理机理的工作，亟待发展其背后的深层次的物理机理的工作，亟待发展 1 1，电子温度分布的剖面不变性：，电子温度分布的剖面不变性：模型：模型：电子温度梯度电子温度梯度(ETG)驱动的湍流支配电驱动的湍流支配电子能量的反常输运；子能量的反常输运；温度分布陡（温度梯度大）温度分布陡（温度梯度大）湍流发展湍流发展输运输运系数增加系数增加温度分布变平温度分布变平温度梯度低于一定温度梯度低于一定的阈值的阈值湍流就消失湍流就消

11、失输运系数就降到新经典输运系数就降到新经典理论预言的值理论预言的值温度分布变陡。温度分布变陡。自洽平衡的结果自洽平衡的结果，就使得电子温度梯度保持在，就使得电子温度梯度保持在阈值阈值附近而呈现某种不变性。虽然附近而呈现某种不变性。虽然线性理论线性理论求求得的得的ETG模模的的不稳定阈值不稳定阈值与实验结果很接近，与实验结果很接近，但但理论计算理论计算和和数值模拟数值模拟得到的得到的ETG模引起的模引起的输输运系数运系数都远小于实验观测值。因此，理论仍然都远小于实验观测值。因此，理论仍然不能定量解释并预见电子温度分布的剖面不变不能定量解释并预见电子温度分布的剖面不变性这种自组织现象。性这种自组织

12、现象。2，输运壁垒输运壁垒(Transport Barrier)(Transport Barrier)：等离子体能量约束的等离子体能量约束的低（低（L-L-）模）模：等离子体能量约束的等离子体能量约束的高（高（H H）模模：在一定的条件下，当非欧姆加热在一定的条件下，当非欧姆加热 功率超过一定的阈值时，等离子功率超过一定的阈值时，等离子 体会发生向高（体会发生向高（H H）约束模式的）约束模式的 突变。突变。H H模的一个特点就是等离模的一个特点就是等离 子体的密度和温度在等离子子体的密度和温度在等离子体体 边缘部分会很快变陡而形成台基状的边缘部分会很快变陡而形成台基状的边缘输运壁垒边缘输运壁

13、垒 5.0)/(PdtdEEE 由由L L模模向向H H模模转变的这种突变很像非线性转变的这种突变很像非线性力学中的力学中的分叉现象分叉现象,它是由等离子体自发它是由等离子体自发产生的，是一种自组织现象。但是，其产生的，是一种自组织现象。但是，其具体的转变条件，机制、控制参量及其具体的转变条件，机制、控制参量及其对等离子体参数的依赖关系等，目前仍对等离子体参数的依赖关系等，目前仍然缺乏定量的理论描述。然缺乏定量的理论描述。等离子体的离子（电子）温度分布会在等离子体的离子（电子）温度分布会在空间的某个位置附近变得很陡而形成空间的某个位置附近变得很陡而形成内内部输运壁垒部输运壁垒 内部输运垒内部输

14、运垒的产生也不是由外部控制的，的产生也不是由外部控制的，连其产生的位置也是不可预见的连其产生的位置也是不可预见的 实验似乎表明，对磁约束等离子体系统，实验似乎表明，对磁约束等离子体系统，存在多个存在多个准平衡态准平衡态，在一定的条件下，在一定的条件下，系统可以在各个态之间过渡。系统可以在各个态之间过渡。找到各种找到各种可能的准平衡态并探索系统在其间转换可能的准平衡态并探索系统在其间转换的条件或几率，的条件或几率，是今后一段时间该领域是今后一段时间该领域的一个重要课题。的一个重要课题。3,3,湍流自组织过程产生的带状流和束流湍流自组织过程产生的带状流和束流（zonal flows or/and

15、streamers）也是当前也是当前聚变科学界注意的一个焦点聚变科学界注意的一个焦点四、磁场重联和等离子体流四、磁场重联和等离子体流 磁磁场场重联重联是在太阳和宇宙空间普遍存在的自然现象。是在太阳和宇宙空间普遍存在的自然现象。它指的是在一定的条件下，原本互相平行的磁力线会它指的是在一定的条件下，原本互相平行的磁力线会相交并重联。相交并重联。磁约束聚变等离子体磁约束聚变等离子体中存在极其中存在极其 丰富的磁丰富的磁场场重联现象。其中比重联现象。其中比 较典型的是由撕裂模的非线性较典型的是由撕裂模的非线性 发展引起磁发展引起磁场场重联而产生的重联而产生的 磁岛结构。磁岛结构。磁约束聚变等离子体磁约

16、束聚变等离子体是研究磁是研究磁场场重联的好环境重联的好环境 问题：问题：撕裂模引起的磁岛结构使等离子体内部撕裂模引起的磁岛结构使等离子体内部区域的磁力线与外部区域的磁力线（磁区域的磁力线与外部区域的磁力线（磁场）场）重重联。这就使重联区域的温度分布变平（沿磁力联。这就使重联区域的温度分布变平（沿磁力线温度近似为常数）而等离子体约束线温度近似为常数）而等离子体约束应应变坏。变坏。但是，实验发现，在一定的条件下，在容易形但是，实验发现，在一定的条件下，在容易形成磁岛的区域往往容易形成内部输运壁垒而使成磁岛的区域往往容易形成内部输运壁垒而使等离子体约束变好，而且，输运垒往往与磁岛等离子体约束变好，而

17、且，输运垒往往与磁岛相伴出现。这种现象在实验中经常观测到，但相伴出现。这种现象在实验中经常观测到，但至今没有完整的理论解释。至今没有完整的理论解释。五、五、ITER(International Thermonuclear ITER(International Thermonuclear Experiment Reactor)Experiment Reactor)简介简介Divertor54 cassettesCentral SolenoidNb3Sn,6 modulesToroidal Field CoilNb3Sn,18,wedgedPoloidal Field CoilNb-Ti,6Bla

18、nket Module440 modulesVacuum Vessel9 sectorsCryostat24 m high x 28 m dia.Port Plug(IC Heating)6 heating3 test blankets2 limiters/RHrem.diagnosticsTorus Cryopump8 unitsFusion Power:500 MWPlasma Volume:840 m3Nominal Plasma Current:15 MATypical Temperature:20 keVTypical Density:1020 m-3Chinas participa

19、tion in the ITER project China announced to join the ITER project negotiation with commitments at the end of 2002.The six parties(CN,EU,KO,JP,RU,US)agreed to select Cadarachi as the ITER site in Oct.2005.The negotiation for International Agreement was finished in March 2006,.The Ministers of 6+IN signed the ITER International Agreement in May 2006.HL-2A is a divertor tokamak constructed at SWIP new site based on original ASDEX main components(magnet coils and vacuum vessel)and based on the experiences from HL-1/1M.EAST