托卡马克高约束运行模式和磁约束受控核聚变.pdf

http:? ?www. wuli. ac. cn? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? 物理? 39 卷 (2010年) 6 期托卡马克高约束运行模式和磁约束受控核聚变董家齐?( 核工业西南物理研究院? 成都? 610041)摘? 要?? 磁约束受控核聚变是最终解决人类能源问题的有希望的途径之一. 托卡马克的高约束运行模式可以大大降低下一代磁约束聚变实验装置和将来的聚变示范反应堆的规模和造价. 文章简要介绍了托卡马克高约束模式的特征, 实现条件及亟待研究解决的科学技术问题, 包括触发高约束模式的物理机理, 功率阈值与等离子体参数的关系等, 以及在高约束运行模式下观察到的边缘局域模的驱动机制、 控制或缓解技术等.关键词? ? 磁约束受控核聚变, 托卡马克, 高约束运行模式, 边缘局域模Tokamak high confinement operation mode and controlled nuclear fusion through magnetic confinementDONG Jia -Qi?(Southwestern Institute of Physics, Chengdu 610041, China)Abstract ? ? Controlled nuclear fusion through magnetic confinement is a promising energy resource for theworld. T he high confinement operation mode ( H -mode) of Tokamaks may significantly reduce the scale andcosts of next generation experimental devices and fusion demonstration reactors. The H -mode characteris -tics, realization conditions, and scientific and technological issues need to be investigated and addressed ur -gently, including the triggering mechanism and dependence of the threshold power on the plasma parame -ters, as well as the driving force and control or mitigation techniques for the edge localized mode, observedin the high confinement operation mode.Keywords ? ? controlled nuclear fusion through magnetic confinement, Tokamak, high confinement opera -tion mode, edge localized mode2010- 03- 25 收到?Email: jiaqi@ swip. ac. cn1 ? 引言2009 年 4 月, 在中国环流器二号 A ( HL -2A)托卡马克物理实验中[ 1], 实现了稳定的高约束运行模式. 这项大科研进展使我国在继欧盟、 美国和日本之后, 也站到了磁约束核聚变研究的这个重要平台 上. 这标志着我国的磁约束核聚变研究的综合实力达到了一个新的水平. 同时, 这也意味着我国的磁约束核聚变科学和等离子体物理实验研究进入了一个崭新的阶段.受控核聚变是一种能让轻原子核( 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释放出来并有可观的能量增益的核反应[ 2]. 氢弹爆炸也是核聚变反应, 但它是瞬间的、 猛烈的, 其能量释放过程是不可控的. 在自然界中, 也有持续的核聚 变反应, 例如太阳和行星上的核聚变反应就是持续的, 但仍然是不可控的. 持续、 可控的核聚变反应一旦在实验室实现并进而得到工业应用, 就可以为人 类提供资源丰富( 足够用上 100 亿年) 、 洁净( 无污染) 、 安全( 核事故率几乎为零) 且经济( 消费者可以承受) 的能源. 因此, 可以说, 受控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 用前景的重要研究领域. 但是, 在经过半个多世纪的?400?国际热核实验反应堆专题? 物理? 39 卷 (2010年) 6 期? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? http:? ?www. wuli. ac. cn努力之后, 人类不但还没有实现这一美好愿望, 而且似乎仍然离它比较遥远. 这是因为在受控磁约束核 聚变研究中, 人们面临的、 极具科学探索性和挑战性的若干基础科学和技术问题至今没有完全解决[ 3].受控核聚变研究的基本思想是, 让氢( 或其同位素) 在一定的条件下电离成由电子和原子核混合而 成的完全电离的气体? ?? 等离子体, 然后对等离子体加热( 在等离子体中感应产生电流进行欧姆加热,或从外面注入高能中性原子束或射频波进行非欧姆 加热) , 以提高原子核之间的碰撞而发生聚变反应的几率. 在温度为 1 亿度左右时, 氘和氚原子核发生聚变反应的截面最大. 所以, 核聚变研究所用的等离子体温度都很高( 一般在 100 万度以上) , 一般又称为 高温等离子体. 与之相应的核聚变, 通常又称为热核聚变. 高温等离子体的温度是如此之高, 以致于找不到固体容器来加以约束. 于是就产生了用磁场来约 束的磁约束聚变和利用聚变原料的惯性来进行约束的惯性约束聚变. 本文讨论的托卡马克是一种磁约束受控核聚变研究装置.不难看出, 受控核聚变研究的基本课题就是要 尽量提高等离子体的温度 T 和密度 n, 使得在等离子体中每单位体积内, 每单位时间发生足够多的核聚变反应; 同时, 要将此类高温、 高密度等离子体约束在有限的空间范围内达足够长的时间. 等离子体 的这种被约束性能一般用能量约束时间 ?E= - E/( dE/ dt) 来度量. 这里, E 为等离子体的总储能, t 为时间. 能量约束时间 ?E是等离子体的总储能在各种 损失机制的作用下能被约束在等离子体中的特征时间. 换言之, 它是将一个能量脉冲注入到等离子体中并被等离子体吸收后该等离子体能量的衰减时间.这一时间与托卡马克等离子体的放电时间是两个根 本不同的概念( 前者远短于后者) , 与超导托卡马克的外加约束磁场的存在时间( 其又远长于托卡马克等离子体的放电时间) 更是性质完全不同的两回事. 这一点有时易被业外人士混淆. 这是题外话.粗略而言, 在磁场中, 组成等离子体的带电粒子沿磁力线自由运动而在垂直于磁场的方向作半径为?= c2Tm/ qB 的回旋运动. 这里, q 为带电粒子的电荷, m 为其质量, T 为其热运动能, B 为磁场, c 为真空中的光速. 磁约束聚变就是利用这一性质, 采用 磁力线在有限的体积内闭合的磁场来约束等离子体( 如图 1 所示的托卡马克和仿星器磁场位形) . 在这样的磁场位形中, 如果没有横越磁场的损失, 则等离子体就可以被很好地约束.图 1? 托卡马克( a) 和仿星器( b) 的磁场位形理论研究表明, 要实现聚变能应用, 即聚变输出功率远大于对等离子体进行约束和加热所消耗的功率, 聚变三乘积 n?ET 必须超过 1020s ? keV/ m3( 秒 ?千电子伏特/ 立方米)[ 2]. 在托卡马克的高约束运行模式下, 等离子体的能量约束时间会提高 2 倍左右, 等离子体的温度和密度也会相应地升高, 所 以, 聚变三乘积会大大提高.2 ? 托卡马克高约束运行模式的特征早期的托卡马克装置, 主要是靠等离子体中感应产生的电流对等离子体进行欧姆加热. 但是, 理论和实验研究表明, 光用欧姆加热不可能达到聚变点 火条件( 即对等离子体进行加热所消耗的功率等于聚变?粒子产出功率) . 因此, 人们就想到了对等离子体进行非欧姆( 感应) 加热, 又称为辅助加热, 主要 是用射频波或高能量中性原子束注入加热等离子体. 在欧姆加热实验中, 等离子体的能量约束时间随着等离子体电流的增加而增长, 即 ?E?I?1p, 这里 Ip是等离子体电流, ?1> 0 近似为常数. 在相同的感应电压下, 欧姆加热功率正比于等离子体电流. 因此, 人们原来期望在辅助加热条件下, 等离子体的能量约束时间也会随加热功率的增加而增长. 但是, 实验发现, 等离子体的能量约束时间随着辅助加热功率 的增加而减短, 即 ?E?P?2, ?2 1. 换言之, 如果辅助加热功率相同, 则高约束模式下的能量约束时间约为低约束模式下的 H 倍, H称为改进因子, 约等于 2. 在实验中的直观表现是,在低约束运行模式下, 辅助加热功率注入后, 等离子 体的密度随时间减小, 等离子体储能增加不大, 等离子体边界或偏滤器室中的氢( 氘) ?线辐射信号增强( 图 2 中的浅色线)[ 5]. 后者意味着等离子体约束变坏, 从等离子体损失到器壁的粒子数增加导致器壁 释放的氢( 氘) 原子数( 再循环) 增加. 在高约束运行模式下, 辅助加热功率注入后, 等离子体的密度和储 能则随时间增加, 且后者增加比较大, 氢( 氘) ?线辐射信号急剧减小( 图 2 中的深色线) . 这意味着等离子体约束变好, 而且从等离子体损失到器壁的粒子数减少, 所以器壁释放的氢( 氘) 原子数减少. 同时,在高约束运行模式下, 在等离子体边界处的 ?线辐射信号上会有很强的尖峰振荡, 称为边缘局域模( edge localized mode, 简称 ELM, 见图 2 的最后一幅) . 以上几点被磁约束聚变界公认为高约束运行模式的特征. 高约束模式的发现, 对磁约束核聚变研究, 无疑是一个喜讯, 对等离子体物理学的发展, 也是一个重要贡献. Wagner 因此获得 2007 年度欧洲物理学会等离子体物理分会颁发的阿尔芬奖. 高约束运行模式的发现, 最主要, 也是最直接的结果就是可以降低点火实验装置和将来的聚变反应堆的规模和成本. 由中国、 欧盟、 印度、 日本、 韩国、 俄罗斯和美国 7 方共建的国际热核实验反应堆( inter -national thermonuclear experimental reactor, 简称ITER)[ 6], 如果采用低约束运行模式, 即根据低约束模式的能量约束时间定标设计, 则装置规模将十分庞大, 预计耗资约为 100 亿美元, 参加各方政府都难以接受. 后来采用高约束运行模式, 即根据高约束模式的能量约束时间定标设计, 再加上其他修改, 装置规模大大减小, 建造费用也降到 50 亿欧元, 很快为各方政府所接受. 现已开始建造.这里, 需要补充说明的是, 除了前面提到的、 在HL -2A 装置上实现的、 边缘局域模幅度比较大的高约束运行模式, 实验上还发现了没有边缘局域模和边缘局域模幅度比较小的高约束运行模式. 大幅度的边缘局域模虽然会带来能量和粒子的附加损失,但是, 由于它同时也有助于聚变废料的排出而被提议为 ITER 的运行模式[ 7, 8].要实现高约束运行模式, 一个必要的条件是辅?402?国际热核实验反应堆专题? 物理? 39 卷 (2010年) 6 期? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? http:? ?www. wuli. ac. cn助加热功率要超过一定的阈值 Pth. 这个阈值与装置的参数和运行状态, 与等离子体参数和品质密切 相关. 例如, 要实现高约束运行模式, 等离子体中的杂质( 即非氢物质) 含量不能太高. 这不仅对真空系统和壁处理技术提出了很高的要求, 同时对等离子体控制技术和电源系统也提出了很高的要求. 因为 如果控制不好, 等离子体会和真空室壁。