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第二章，磁约束聚变装置的类型第二章，磁约束聚变装置的类型 2.1 磁约束聚变装置的分类磁约束聚变装置的分类 如前所述，磁约束聚变装置从形态上可分为开端装置和环形装置两类环形装置的磁 场位形是环拓扑的，形状多为圆环形，但也有少数跑道形（如运动场上的跑道）的为了 实现磁力线的旋转变换，避免漂移带来的粒子损失，必须产生极向磁场，和环向磁场合成 为螺旋磁场结构而产生极向磁场的方法，在托卡马克为环向等离子体电流，在仿星器则 为外螺旋线圈仿星器是稳态运转的托卡马克是准稳态运转的，一次放电时间为几十毫 秒到几分种，但是将来可以做到稳态近年来，发展了一种球形托卡马克，又称球形环 它的磁场位形类似托卡马克，但大半径和小半径之比（环径比）较小，因而等离子体近似 球形 开端装置的代表为磁镜它是利用磁镜原理建造的，也有很长的发展历史，经历了简 单磁镜、标准磁镜和串列磁镜几种类型磁镜也属于稳态运转的类型 从时间尺度上看，还有一种称为快过程的装置它的一次放电时间在几十到几百微秒， 属于一种高电压大电流的脉冲放电技术它的代表是箍缩类装置，如直线箍缩（Z箍缩）、 角向箍缩（θ箍缩）和反场箍缩它们可能是环形的也可能是直线形的。

还有一类装置称为紧凑环它们的位形接近球形，主要有场反位形、球马克有时也 将球形环归入其中 我们可按放电时间和等离子体位形将不同类型的装置分类，如图2-1所示为了比较， 我们将激光聚变也列入 不同种类的装置，或者说不同的技术途径都为聚变研究作出了贡献很多种类的装置 在将来都有可能做成反应堆提供聚变能源了解不同类型装置的原理和特征对研究某一类 型如托卡马克是有好处的我们将介绍几种主要磁约束聚变装置类型 2.2 托卡马克托卡马克 1，结构和特点，结构和特点 结构结构 托卡马克装置是苏联人提出并首先发展的 这一名词从俄文Токмак而来， 其前3字母是环形，后3字母是磁场的意思综合来说，是强磁场环形装置因为它的另一 特点是有环向等离子体电流，所以也可称为环流器环流器 图2-2 托卡马克装置原理 这一装置的运行原理见图2-2主要部件一为环向磁场线圈它们在一环轴上分排列， 产生强的环向磁场，对等离子体起约束和稳定作用第二部分为欧姆变压器，由中心螺管 和若干外线圈构成，作为变压器的初级，产生变化磁通，感应一个环向电动势，将气体击 穿，形成环形等离子体等离子体形成后，作为变压器次级，在其中流过环向等离子体电 流。

这电流不但将等离子体进一步加热，而且它产生的极向磁场和外加环向磁场合成为螺 旋磁力线，产生旋转变换，消除因磁场漂移引起的电荷分离，避免因此引起的粒子损失 除去变压器外，还有部分极向场线圈产生用于维持等离子体平衡的垂直场气体的击 穿和等离子体的运行都需要在较低气压下进行，且须维持气体的纯度，所以另一重要部件 是真空室及抽气系统环形真空室位于环向场线圈之内，一般由两半组成，以利于安装 特点特点 在物理上，由于极向场是由等离子体电流产生的，其在径向（即环的小半径方 向）的分布也由电流分布决定，使托卡马克成为一个复杂系统以欧姆加热为例稳态等 离子体电流的径向分布，或者说其轮廓，是由等离子体的电阻分布决定的而等离子体电 阻决定于等离子体参数（温度、密度、杂质含量）等离子体参数决定于加热和输运过程 加热和电流分布有关，输运则取决于多种因素，和微观几宏观不稳定性有关这样，就在 因果关系上构成了闭环，所达到的状态由自组织过程决定此外，由于等离子体电流的存 在，可能发生一种破裂不稳定性它可能引起重大的工程事故，必须避免 在工程上，托卡马克装置有两大缺点第一是按照变压器原理，它是脉冲工作的欧 姆变压器的磁通变化值总是有限的，不能长期维持有电阻消耗的等离子体电流。

而聚变堆 则要求稳态运行，否则要配备大容量的储能系统不用变压器的电流驱动方法也是有的，就是使用波驱动或中性粒子注入但这需要很复杂的电流驱动系统，会提高聚变堆的成本 第二，托卡马克是通过电流对等离子体加热的加热功率密度为ηj2，其中η为电阻率，j为电流密度按照Spitzer电阻公式 2/3−∝Tη，随等离子体温度的升高，电阻逐渐减小，使加热效率降低计算表明，光凭欧姆加热，在托卡马克中是达不到聚变温度的为此，需要使 用辅助加热，也以电磁波或中性粒子加热手段完成，因而增加了它的工程复杂性和聚变堆 的一次成本 因为托卡马克等离子体物理的复杂性，不存在简单的解析关系联系装置参数和所能达 到等离子体指标但在不同尺度的实验装置上总结了一些定标律，用装置的尺寸、磁场、 电流等参数表示所达到的约束时间、密度、温度、比压等指标，一般为冪级关系在一代 又一代的装置上检验、修正这些定标律，并据此对聚变堆建造所需条件作出预测，就是长 期以来托卡马克途径的发展轨迹 尽管托卡马克的磁约束聚变途径在以前几十年里取得了长足的进步，目前的进展也基 本上符合以前总结的定标关系,而且第一台商用聚变堆几乎肯定将是托卡马克型的，但在聚 变界取得共识的是，托卡马克未必是最佳反应堆类型选择。

和其它类型装置比较，它迄今 取得的成就可能是连续大规模投入的结果所以，尽管托卡马克仍为当前研究主流，其它 类型的装置的研究仍在进行，其中一些也取得可观的成就 研究课题研究课题 托卡马克等离子体物理可分为宏观和微观两类课题宏观问题主要是各种 磁流体不稳定性，及由这些不稳定性决定的运转极限，如电流、密度、比压、安全因子的 极限研究目的是如何控制等离子体，突破这样的极限而进一步提高等离子体参数，以及 如何防止破坏性的事件如破裂不稳定性的发生而这需要对宏观过程有更透彻的理解而 这要依赖于诊断和数值模型的改善 微观不稳定性主要与输运有关实验揭示磁约束等离子体的输运远高于经典输运和考 虑到环形装置粒子运动形态的新经典输运水平，称为反常输运近年来的实验和数值模拟 研究已证实反常输运来自漂移波等微观不稳定性而且，不同类型的所谓高约束模的实现 已使一些输运系数降低到新经典的水平一些有关研究课题，如新经典磁岛、带状流（zonal flow）、非局域性效应（自组织过程）、输运方程的非对角项（能量、粒子、角动量输运的 交叉作用）、非输运的能量和粒子损失，都是当前研究重点 边界等离子体在等离子体约束中也是重要因素。

涉及边界区以及与壁的相互作用的一 些扰动模式对实现高的参数有直接的作用 托卡马克型以及其它类型磁约束装置建堆的一项主要困难是材料问题在聚变堆里， 面向燃烧等离子体的第一壁要承受每平方米几兆瓦的14MeV高能中子的轰击中子穿过第 一壁，在结构材料和磁体内引起各种辐射效应低活性材料的选择和测试是必须进行的 2，国内外主要装置，国内外主要装置 主要装置主要装置 国外主要托卡马克装置如表2-1所示这些装置可分为两类最大规模的是 JT-60U，TFTR和JET它们的任务是冲击最高等离子体指标，研究高参数运行时的物理问题其中除JT-60U以外都进行了DT运行而在规模上次一等的装置则各有其特点，重点研 究某一方面的课题 例如DIIID原来是双磁轴位形 （doublet） ， 后改为很长的截面 Tore Supra 是一个超导装置，侧重稳态运行问题ASDEX-U的前身ASDEX在高约束模（H模）上作出 过很大贡献FTU是强场托卡马克TEXTOR-94主要研究杂质问题TCV可以实现不同等 离子体截面形状，专门研究截面形状的影响 表2-1 国外主要大中型托卡马克参数 装置名称 地点 大半径(m) 小半径(m) 磁场(T) 电流(MA) JT-60U JAERI 3.4 1.1 4.2 2.5 TFTR Princeton 2.4 0.8 5.0 2.2 JET Abinhdon 3.0 1.25 3.5 5.0 DIII D GA 1.67 0.67 2.1 1.6 T-10 Kurchatov 1.5 0.37 4.5 0.68 Tore Supra Cadarache 2.37 0.8 4.5 2.0 ASDEX-U Garching 1.65 0.5 3.9 1.4 FTU Frascati 0.93 0.3 8.0 1.3 TEXTOR94 Julich 1.75 0.46 2.8 0.8 TCV Lausanne 0.88 0.24 1.4 0.17 *小半径指等离子体小半径,磁场指环向磁场,电流指等离子体电流,下同 托卡马克在我国托卡马克在我国 我国第一台托卡马克是 在陈春先（1934-2004）领导下建于1974年的 CT-6。

这是一台小型铁芯变压器装置，后升级 为CT-6B，其大半径0.45m，小半径0.12，磁场 1.3T，等离子体电流34kA曾进行电子回旋波 预电离、 电子回旋波启动、 交流运行等物理研究 工作 图2-3 CT-6装置 我国目前正在运转的托卡马克有核工业西南物理研究院的HL-2A，中国科学院等离子 体物理研究所的HT-7和EAST 它们的主要指标见表2-2 HL-2A为我国第一个有偏滤器的托 卡马克（图2-4）它的真空室和磁场线圈来自德国的ASDEXHT-7装置的主体来自俄罗斯 的T-7装置它的环向磁场由超导磁体产生在这一装置上已获得持续5分钟的稳态放电 EAST是第一个全超导托卡马克（图2-5）它的环向磁场和极向磁场线圈都是超导的它的 主要参数和预计能达到的指标可以和表2-1上的国外主要装置相比，特别适合稳态运行的研 究总的来说，我国在聚变装置建设上取得了重要的进展，但是在辅助加热和电流驱动上， 以及等离子体诊断上尚有一定差距 表2-2 我国主要托卡马克装置参数 装置 大半径(m) 小半径(m) 磁场(T) 电流(MA) HL-2A 1.65 0.4 2.8 0.48 HT-7 1.22 0.3 3 0.3 EAST 1.95 0.45 3.5 1（设计值） 图2-4 HL-2A装置 图2-5 EAST装置 2.3 球形环球形环 1990年代以后，发展了一种新的聚变装置类型，称为球形环(spherical torus)，又称球形 托卡马克(spherical tokamak)，简称ST，是一种低环径比托卡马克，也可认为是传统托卡马 克的变型。

图2-6 等离子体截面参数 图2-7 球形环和托卡马克等离子体形状比较 环径比(aspect ratio)定义为环形等离子体大半径和小半径之比A=R/a（图2-6）因为小 半径a是在水平方向（垂直对称轴）方向取的，所以必然有A>1传统托卡马克的环径比均 在3以上 A1，三角形变形参数（trianglarity）δ>0定量表示在托卡马克理论中，垂直方向拉长有 利于比压值的增加，而三角形变形有利于稳定 图2-8 托卡马克（左，A=4，q=4）和球形环（右，A=1.25，q=12）位形 再看两种装置中磁力线的走向， 也就是沿磁力线运动的带电粒子的大致轨迹 （图2-8） 图中q为安全因子，高的q值对宏观稳定性有利在传统托卡马克中，磁力线在环内侧和外 侧的长度基本是一样或接近的而在球形环里，由于环内侧与外侧高度不对称，它们过多 地居环内侧，即磁场强的区域，而且是磁场曲率好（等离子体外部磁场强，内部磁场弱） 的区域这当然非常有利于磁流体稳定性这些性质说明，球形环虽然和传统的托卡马克 有同样的空间拓扑，但是有高的磁场利用率它可在较低的磁场中产生较强的等离子体电 流，并得到高的比压值此外，在这样的装置中，未观察到一般托卡马克中的电流破裂现 象。

此外，它还可以形成自然的偏滤器位形这样的位形包含了分支面的磁面可以利用 这一磁场位形安装排除杂质的偏滤器 工程问题工程问题 球形环在历史上发展较晚，是因为有一定的工程难度由于等离子体环大 小半径接近，其中心圆孔变得很小在这孔中，除去容纳真空室壁以外，还要穿过环向场 线圈和中心螺线管。