磁約束核聚變實驗裝置

⑴ 磁約束熱核聚變的約束形態

開端的磁鏡約束形態
自研究核聚變以來，已提出了許多種磁約束途徑，可按磁力線的形狀分為開端和閉合兩類，分別簡述如下。
解決等離子體沿磁力線流失的問題，人們很早的一個想法是把長圓柱兩端的磁場特別地加強，如圖2,中間部分的磁力線平直均勻,磁場強度為B0,兩端磁場的強度,增加到Bm。直筒真空室剖面磁力線的分布形狀如圖，兩端磁力線還是開放的，因此稱為「開端」。在這樣的磁場形態中，沿著磁力線運動的帶電粒子向端部區域接近時，有可能會被加強了的磁場反射回來，因此，這種磁場形態稱為磁鏡。整個安排是一個雙磁鏡系統。
現在說明磁鏡反射帶電粒子的原理
對於磁場隨時間和空間的變化不是很劇烈的情況，在不均勻磁場中帶電粒子的運動，遵從磁矩守恆的規律，帶電粒子的磁矩（見絕熱不變數）。設在圖2系統的中部有一帶電粒子, 運動速度為v，動能,運動方向和圖2軸線即B0的方向成θ角,那麼，這個粒子在垂直方向的動能為。當它沿磁力線朝著磁鏡方向運動，磁場B增加時，成比例地增加,保持磁矩不變。由於粒子的總能量也守恆，因此它在平行方向的動能和速度,和v∥=vcosθ，會相應地減少。而粒子的運動軌道和圖中軸線的夾角θ=arctg(v寑/v∥)相應地增加。這樣，直到v〃減少成為零，那時θ角達到90°,帶電粒子不再前進，而只能反射回來，又重新得到平行方向的動能，於是，這個帶電粒子就在等離子體中被約束在兩端磁鏡之間，在作快速微小的迴旋運動的同時，不斷地來回穿梭運動。
如果帶電粒子在系統中間原來的速度，比較接近平行於軸線,到達磁境時它的軌道和軸線的夾角θ還沒有增加到90°，那麼，它就會穿出磁鏡而散失，這就稱為粒子的磁鏡端損失。由前述磁矩守恆關系可以推出，帶電粒子原來的軌道和軸線的夾角θ0有個限值θc ,
凡θ0小於這個有限值的帶電粒子,都要由磁鏡端損失掉。使用適當的磁鏡比Bm/B0,等離子體中帶電粒子的大部分可被雙磁鏡約束。被約束的粒子,和其他粒子碰撞後,如θ0變為小於θc，則仍會被損失掉。總的說，雙磁鏡安排改善了粒子的端損失，但還很難滿足受控熱核聚變所要求的約束條件。
磁鏡系統的端損失，可以用更復雜的安排來作進一步的改善。例如，用多重的串級磁鏡，以及注入特定分布的高、低能量的帶電粒子和中性粒子及高頻波來造成特殊的端部和邊緣等離子體區，使系統中部和兩端磁鏡之間保持一定的靜電電位差(靜電約束)和溫度差（熱壘約束），以進一步約束中心的等離子體。利用這類原理的、典型的磁鏡型熱核反應聚變堆的設計參量一例：中心等離子體長度130米，直徑0.98米，中心磁場4.7特斯拉；離子溫度28千電子伏，電子溫度24千電子伏，約束參量(n)5.2×10τ秒/米;聚變功率2.6×10千瓦,發電功率1.2×10千瓦。目前,以這樣的聚變堆為目標,有的國家正在進行原理驗證性的實驗。同時，在開端的磁約束方法方面，還有更多的基礎性探索研究。
磁力線閉合的環形約束形態
解決等離子體沿磁力線流失的另一種辦法是把磁力線連同等離子體柱彎曲起來，使它的兩端互相連接，成為一個環形，磁力線閉合起來。把一個導線繞成的長螺線管彎成一個環形，或者在環形的真空室外繞上線圈，就能做到這一點。不幸的是，在這樣的環形磁場安排中，等離子體的運動發生了新的情況：組成等離子體的帶電粒子發生一些漂移運動。最嚴重的一種漂移運動是帶電粒子在磁場和靜電場並存而後兩者又不互相並行時發生的電漂移。如圖3，在一個簡單地用螺線管彎成的磁場中，環形等離子體內會出現一個沿子午面（環的小截面）的電場E，它和環向磁場B的方向垂直，這樣，按照電漂移的規律，等離子體中的帶電粒子，不分正負和快慢，因此，即整個等離子體，都以同一速度v=E/B迅速向側面漂移而碰壁散失。
環形磁約束等離子體中的電場E 是由帶電粒子的另一類漂移運動即磁漂移所造成的。在磁場中磁場強度存在梯度時即磁力線發生彎曲時，磁場梯度本身和帶電粒子沿彎曲的磁力線運動時的離心力兩者合起來使帶電粒子發生漂移，正、負粒子漂移的方向相反。因此，在簡單的環形磁場安排中，帶電粒子按照正、負，分別朝著圖3等離子體柱截面的上方和下方漂移，造成電荷正負分離積累，有如在電容器的兩端，這樣上下分別積聚的電荷就產生了電場E。
磁力線的旋轉變換
解決簡單環形磁場中正負電荷分離因而發生電漂移的基本方法是,使磁力線來一個旋轉變換。如圖4，在環的小截面上取一個半徑為r的小圓周,其中心線是大圓周的環形軸線。取一條經過小圓周上A點的磁力線,在簡單的環形磁場中，每一條這樣的磁力線都是和環形軸線相似的一個大圓周。假定現在給這磁力線加上一個沿小圓周（子午面）的切線方向的磁場分量（稱為「極向場」分量），使磁力線沿環形前進時向箭頭所指的方向扭轉，變成一條螺旋形扭曲的磁力線，它沿環形走一圈後回到了小圓周上的A┡點，這樣繼續不斷地沿環形多次繞行，最後形成由這條磁力線連續編織成的一個環形筒狀的「磁力線面」（簡稱「磁面」），這樣，整個磁場就由一個套一個的環形筒狀磁面構成。這就是磁力線的「旋轉變換」。螺旋形的磁力線的螺距的尺寸、和環形軸線大圓周的半徑同一數量級，比粒子的迴旋半徑大得多。當一個帶電粒子沿這樣的磁力線運動時，漂移的情況發生變化。因為，這個粒子在不斷地繞環形軸線OO┡旋轉,它相對於環形軸線OO┡的上下左右位置不斷地改變,而粒子磁漂移的朝上還是朝下則由整個環形向里彎曲這一特點和粒子電荷的正負所決定，沒有變，因此，如果這個粒子開頭是向上漂移而離開軸線OO┡，到後來它仍舊向上漂移,就變成向軸線OO┡接近，平均起來，距離軸線為r不變。這樣，總起來就避免了粒子磁漂移所造成的電荷分離。
環流器磁場形態
以簡單的環形磁場B為基礎,加上一個垂直方向的「極向磁場」 Bp,即在環的小截面上的一個旋轉式的磁場分量，來造成磁力線的旋轉變換，其方法之一是，在等離子體內設法產生一個環形的電流IP（圖4）,這個環形電流按安培定律的右手法則產生極向磁場Bp。利用這一原理而所用的極向場Bp的值平均不大於 (a/R)B（式中R和a分別為等離子體環形軸線大圓的半徑和小截面的半徑）的環形磁約束裝置稱為環流器（譯名托卡馬克），這是目前在實驗上最有成效的磁約束形態。
下表列舉了最新一代的環流器實驗裝置，它們也是目前在國際上規模最大的磁約束裝置。它們的設計參數，都以實現受控熱核聚變在等離子體物理上所要求的兩個基本條件為目標。當前，用環流器原理設計的，實用的熱核聚變反應堆的規格、尺寸和磁場強度等，一般不超過這些裝置相應指標的一倍。

⑵ 什麼是磁約束可控核聚變，是否可以進行商業化發電

核能包括裂變能和聚變能兩種主要形式。核聚變，又稱核融合、融合反應或聚變反應，是將兩個較輕的核結合而形成一個較重的核和一個很輕的核（或粒子）的一種核反應式。目前開展的受控核聚變研究正是致力於實現聚變能的和平利用。其實,人類已經實現了氘氚核聚變，即氫彈爆炸，但那是不可控制的瞬間能量釋放, 人類更需要受控核聚變。維系聚變的燃料是氫的同位素氘和氚, 氘在地球的海水中有極其豐富的蘊藏量。特別的,聚變產生的廢料為氦氣, 是清潔和安全的。因此, 聚變能是一種無限的、清潔的、安全的新能源。這就是世界各國不遺餘力競相研究、開發聚變能的根本原因，受控核聚變，受控熱核聚變能的研究主要有兩種-慣性約束核聚變和磁約束核聚變。磁約束核聚變 利用強磁場將氘氚氣體約束在一個特殊的磁容器中並加熱至數億攝氏度高溫來實現聚變反應 。其設備比較大，但反應持續性能好，不需要反復點火，但其缺點在於開、關火性能不佳，靈活度不夠，而且維持強磁場所需的電能成本也不低。磁約束核聚變適合作為核電站、大型船舶的供電系統，如ITER-ITER - the way to new energy。慣性約束核聚變利用超高強度的激光在極短的時間內輻照氘氚靶來實現聚變。其好處在於設備可以做小，而且開、關火控制性能也比較好，但其缺點是需要消耗大量能源產生激光用來點火，而且燃料靶丸製造成本也很難降下來。 慣性約束核聚變適合在未來用於飛行器等領域，磁約束核聚變研究從上世紀 50 年代在美、英、俄、中等國開始，陸續出現了各種形式的脈沖放電和磁約束位形，經過艱難探索之後主要集中在托卡馬克、仿星器位形上，而以托卡馬克發展最快。，托卡馬克（Tokamak）裝置是實現磁約束核聚變反應的一個非常有前途的方法，而超導托卡馬克使磁約束位形能連續穩態運行，是公認的探索和解決未來聚變反應堆工程及物理問題的最有效的途徑。

⑶ 核聚變要在近億度高溫條件下進行，這時所有物質都被氣化，那麼怎樣產生高熱，又用什麼裝它呢

核聚變反應堆主體是用一種球形磁場來約束的。核聚變的產生條件就需要較小的原子核發生碰撞和融合，但原子核都帶正電，原子外層都帶負電。

原子核想碰一起需要很高的能量來突破電磁力的排斥，就像讓兩塊小磁鐵同極相觸一樣（但難度不是一個量級）。溫度反映了物質內部粒子的運動能量，所以高溫下才會有可能讓高速的原子核艱難碰撞在一起。

要引發氫彈首先要引發原子彈，用原子彈核裂變產生的極高溫度才能使氫核之間劇烈碰撞而發生核聚變反應，所以一般某國家在研究兩彈時，都是先研製出原子彈，再研製出氫彈。這也是為何氫彈比原子彈殺傷力強的原因之一。

(3)磁約束核聚變實驗裝置擴展閱讀：

熱核反應，或原子核的聚變反應，是當前很有前途的新能源。參與核反應的輕原子核，如氫（氕）、氘、氚、鋰等從熱運動獲得必要的動能而引起的聚變反應（參見核聚變）。熱核反應是氫彈爆炸的基礎，可在瞬間產生大量熱能，但尚無法加以利用。

如能使熱核反應在一定約束區域內，根據人們的意圖有控制地產生與進行，即可實現受控熱核反應。這正是在進行試驗研究的重大課題。受控熱核反應是聚變反應堆的基礎。聚變反應堆一旦成功，則可能向人類提供最清潔而又是取之不盡的能源。

冷核聚變是指：在相對低溫（甚至常溫）下進行的核聚變反應，這種情況是針對自然界已知存在的熱核聚變（恆星內部熱核反應）而提出的一種概念性『假設』。

這種設想將極大的降低反應要求，只要能夠在較低溫度下讓核外電子擺脫原子核的束縛，或者在較高溫度下用高強度、高密度磁場阻擋中子或者讓中子定向輸出，就可以使用更普通更簡單的設備產生可控冷核聚變反應，同時也使聚核反應更安全。

⑷ 磁約束核聚變的環流器等離子體的加熱

如何把磁約束的等離子體加熱到1億度（即10千電子伏）左右或更高的溫度。就實驗上領先的環流器途徑而言，30年來先後開展的加熱方法主要有如下三類。
歐姆加熱
利用環流器等離子體中流通的，用於產生磁場旋轉變換的環形電流IP，對等離子體本身進行歐姆加熱，這樣的加熱遵從理論上推廣了的歐姆定律。隨著溫度的升高，環形等離子體的電阻迅速降低（這一點和金屬導體的行為相反），加熱效率下降。需要採取特殊措施，才有可能達到建造聚變堆所需的溫度。目前，大量的實驗研究仍在繼續進行。
中性粒子束注入
將強流離子束，經過氣體交換室進行電荷交換變成中性粒子束，然後注入磁約束裝置。在環流器上一般用於在歐姆加熱基礎上的二級加熱。是迄今為止取得溫度最高的加熱方法。所用的中性束，粒子能量為100千電子伏左右，功率為10～30兆瓦。
射頻波加熱
利用等離子體外輸入的，適當頻率的各種電磁波，通過等離子體內電子迴旋共振（頻率約60～120吉赫）、離子迴旋共振（頻率約30～120兆赫）、或混合共振（頻率2吉赫等）的機制,進行吸收加熱。目前主要是原理性實驗。准備中的大型實驗，射頻功率為3～30兆瓦；小型實驗使用的功率可相應地減少。
將來採用的方法，有可能是幾種加熱方法有程序的、時間空間上的優化結合。在這類結合過程的研究中將會出現許多新的物理問題。

⑸ 全超導托卡馬克核聚變實驗裝置的研究成果

HT-7裝置1995年投入運行，經過多方面的改進和完善，裝置運行的整體性能和水平有了很大的提高。13年來，物理實驗不斷取得重大進展和突破，獲得了一系列國際先進或獨具特色的成果。
在中心等離子體密度大於2.2×1019/m3條件下，最高電子溫度超過5 000萬度；獲得可重復大於60秒(最長達到63.95秒)、中心電子溫度接近500萬度、中心密度大於0.8×1019/m3的非感應全波驅動的高溫等離子體；成功地實現了306秒的穩態等離子體放電，等離子體電流60kA，中心電子密度0.8×1019/m3，中心電子溫度約1 000萬度；2008年春季，HT-7超導托卡馬克物理實驗再次創下新紀錄：連續重復實現了長達400秒的等離子體放電，電子溫度1 200萬度，中心密度0.5×1019/m3。這是目前國際同類裝置中時間最長的高溫等離子體放電。
同時，還在HT-7上開展了石墨限制器條件下的運行模式、等離子體物理特性和波加熱、波驅動高參數等離子體物理特性以及高參數、長脈沖運行模式等世界核聚變前沿課題的研究，出色完成了國家「863」計劃和中科院重大課題研究任務。HT-7實驗的成功使中國磁約束聚變研究進入世界先進行列，也使HT-7成為世界上(EAST建成之前的)第二個全面開放的、可進行高參數穩態條件下等離子體物理研究的公共實驗平台。
EAST在2007年1-2月的第二輪等離子體放電實驗中，獲得了穩定、可控具有大拉長比的偏濾器位形等離子體放電，最大等離子體電流達0.5MA，在0.2MA等離子體電流下最長放電達9秒，並成功完成了磁體、低溫、總控和保護、等離子體控制等多項重要工程測試和物理實驗。
2016年2月，中國EAST物理實驗獲重大突破，成功實現電子溫度超過5000萬度、持續時間達102秒的超高溫長脈沖等離子體放電。這也是截至2016年2月國際托卡馬克實驗裝置上電子溫度達到5000萬度持續時間最長的等離子體放電。標志著中國在穩態磁約束聚變研究方面繼續走在國際前列。 發展目標：通過15年(2006-2020)的努力，使EAST成為我國磁約束聚變能研究發展戰略體系中最重要的知識源頭，使我國核聚變能開發技術水平進入世界先進行列。同時，積極參與國際合作，消化、吸收、掌握聚變堆關鍵科學與技術，鍛煉隊伍，培養人才，儲備技術，使得我國有能力獨立設計和建設(或參與國際合作)聚變能示範堆。
HT-7裝置是國際上正在運行的(EAST投入正式運行之前)第二大超導托卡馬克裝置，配合EAST的科學目標開展高溫等離子體的穩態運行技術和相關物理問題的研究，其穩態高參數等離子體物理實驗結果和工程技術發展對EAST最終科學目標的實現和國際聚變研究都具有重要的直接意義。
EAST的科學研究分三個階段實施：
第一階段(3-5年)：長脈沖實驗平台的建設；第二階段(約5年)：實現其科學目標，為ITER先進運行模式奠定基礎；第三階段(約5年)：長脈沖近堆芯下的實驗研究。
EAST將對國內外聚變同行全面開放，結合國內外聚變的科學、技術和人才優勢，開展磁約束聚變的科學和技術研究，培養國內磁約束聚變人才，為中國聚變能的發展奠定基礎。

⑹ 什麼是核聚變實驗堆

基本原理
核能是能源家族的新成員，包括裂變能和聚變能兩種主要形式。裂變能是重金屬元素的核子通過裂變而釋放的巨大能量。受控核裂變技術的發展已使裂變能的應用實現了商用化，如核(裂變)電站。裂變需要的鈾等重金屬元素在地球上含量稀少，而且常規裂變反應堆會產生放射性較強的核廢料，這些因素限制了裂變能的發展。聚變能是兩個較輕的原子核聚合為一個較重的原子核並釋放出的能量。目前開展的受控核聚變研究正是致力於實現聚變能的和平利用。其實，人類已經實現了氘氚核聚變--氫彈爆炸，但那是不可控制的瞬間能量釋放，人類更需要受控核聚變。維系聚變的燃料是氫的同位素氘和氚，氘在地球的海水中有極其豐富的蘊藏量。經測算，l升海水所含氘產生的聚變能等同於300升汽油所釋放的能量。海水中氘的儲量可使人類使用幾十億年。特別的，聚變產生的廢料為氦氣，是清潔和安全的。因此，聚變能是一種無限的、清潔的、安全的新能源。這就是世界各國尤其是發達國家不遺餘力競相研究、開發聚變能的根本原因。 受控熱核聚變能的研究主要有兩種--慣性約束核聚變和磁約束核聚變。前者利用超高強度的激光在極短的時間內輻照氘氚靶來實現聚變，後者則利用強磁場可很好地約束帶電粒子的特性，將氘氚氣體約束在一個特殊的磁容器中並加熱至數億攝氏度高溫，實現聚變反應。 托卡馬克(Tokamak)是前蘇聯科學家於20世紀50年代發明的環形磁約束受控核聚變實驗裝置。經過近半個世紀的努力，在托卡馬克上產生聚變能的科學可行性已被證實，但相關結果都是以短脈沖形式產生的，與實際反應堆的連續運行有較大距離。超導技術成功地應用於產生托卡馬克強磁場的線圈上，是受控熱核聚變能研究的一個重大突破。超導托卡馬克使磁約束位形能連續穩態運行，是公認的探索和解決未來聚變反應堆工程及物理問題的最有效的途徑。目前建造超導裝置開展聚變研究已成為國際熱潮。 等離子體物理研究所主要從事高溫等離子體物理、受控熱核聚變技術的研究以及相關高技術的開發研究工作，擔負著國家核聚變大科學工程的建設和研究任務,先後建成HT-6B、HT-6M等托卡馬克實驗裝置。1994年底，等離子體所成功地建成我國第一台大型超導托卡馬克裝置HT-7，使我國進入超導托卡馬克研究階段，研究成果引起了國際聚變界的廣泛關注。「九五」國家重大科學工程--大型非圓截面全超導托卡馬克核聚變實驗裝置EAST計劃的實施，標志著我國進入國際大型聚變裝置(近堆芯參數條件)的實驗研究階段，表明中國核聚變研究在國際上已佔有重要地位。

⑺ 磁約束核聚變國家實驗室的介紹

我國聚變研究開始於此，幾乎與國際上的進展同步，從1950年代初期開始，美國、英國、蘇聯等國就積極進行這方面的研究工作。磁約束核聚變國家實驗室依託中國科學院合肥物質科學研究院、西南核物理研究院共同建設和發展。

⑻ 磁約束核聚變的基本原理

磁約束（magnetic confinement），用磁場來約束等離子體中帶電粒子的運動。主要為可控核聚變提供理論與技術支持，其主要形式為托卡馬克裝置與仿星器裝置。
基本原理
磁約束的基本原理是帶電粒子在磁場中受的洛倫茲力。

物理原理
氘、氚等較輕的原子核聚合成較重的原子核時，會釋放大量核能，但這種聚變反應只能在極高溫下進行，任何固體材料都將熔毀。因此，需要用特殊形態的磁場把由氘、氚等原子核及自由電子組成的一定密度的高溫等離子體約束在有限體積內，使之脫離器壁並限制其熱導，這是實現受控熱核聚變的重要條件。

工作原理
兩端呈瓶頸狀的磁力線，因瓶頸處磁場較強（也稱作磁鏡）能將帶電粒子反射回來 ，從而限制粒子的縱向（沿磁力線方向）移動，使粒子在作迴旋運動的同時，不斷地來回穿梭，被約束在兩端的磁鏡之間，但是仍有一部分其軌道與磁力線的夾角小於某值的帶電粒子會逃逸出去。為了避免帶電粒子的流失，曾經把磁力線連同等離子體彎曲連接成環形；後來又改進為呈8字形的圓環形磁力線管，稱為仿星器；實驗上現最有成效的磁約束裝置是托卡馬克裝置，又稱環流器，它是環形螺線管，其中的磁力線具有螺旋形狀。
相關裝置

托卡馬克
環流器（即tokamak，音譯為托卡馬克）。它的名字來源於環形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnet）、線圈（kotushka）。是目前性能最好的一種磁約束裝置。（下面是環流器的圖）
環流器

仿星器
為了避免帶電粒子的流失，科學家曾經把磁力線連同等離子體彎曲連接成環形。後來又改進為呈8字形的圓環形磁力線管，稱為仿星器。
盡管托卡馬克被認為是人類未來最具有實用價值的可控核聚變裝置，但仿星器也得到了世界不少科學家的研究興趣。仿星器最早是由 Lyman Spitzer發明的並且在第二年建成，它在50-60年代曾十分流行。
德國科學家認為，仿星器可能是最適合未來核聚變電廠的類型。德國正在建造的世界上最大的仿星器實驗室被命名為Wendelstein X-7。
行業活動
2014年9月4-5號，中國磁約束核聚變第二次戰略研討會在西安召開。會議形成共識，要加快制定我國磁約束核聚變技術路線圖，進一步明確目標，提出具體的解決方案，深入研究支持措施和對策。[1]
2014年3月15-16日，首次磁約束核聚變能發展研究戰略研討會在北京召開。會議分析了磁約束核聚變能研究國際動態、我國磁約束核聚變能專項部署情況、研究基礎和進展，從國內兩大托卡馬克裝置能力提升、聚變堆設計研究、等離子體物理理論與實驗、聚變材料、安全與防護、高校人才培養的效果評估與模式等方面對我國磁約束核聚變能發展戰略進行了研討。