磁約束核聚變裝置控制實驗報告

① 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。

② 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。

③ 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。

④ 求寫一篇文章：磁約束聚變真空裝置（核聚變真空技術）（20分鍾的演講稿）不要復制黏貼百度百科。

還是用Google搜吧，網路的搜索結果，你懂的。

⑤ 磁約束聚變的聚變裝置

九十年代初，中科院等離子體所利用前蘇聯贈送的原價值約1500萬美元的T-7裝置進行大幅度改造，使其成為研究性更加先進，且更加完善的超導托卡馬克——HT-7。其主要研究目標是，獲得並研究長脈沖或准穩態高溫等離子體，檢驗和發展與其相關的工程技術，為未來穩態先進托卡馬克聚變堆提供工程技術和物理基礎。
1994年12月至95年3月，HT-7首次成功進行了工程聯調，94年12月28日得到第一等離子體。1998年國務院科教領導小組批准了國家「九五」重大科學工程HT-7U的立項，HT-7也部分承擔下一代裝置HT-7U的前期實驗任務。
HT-7是一個大型的實驗系統，它包括HT-7超導托卡馬克裝置本體，大型超高真空系統，大型計算機控制和數據採集處理系統，大型高功率脈沖電源及其迴路系統，全國規模最大的低溫液氦系統，兆瓦級低雜波電流驅動和射頻波加熱系統，以及數十種復雜的診斷測量系統。幾年來，HT-7超導托卡馬克裝置經過不斷的改造，已進行了十幾輪實驗運行，取得若干科研成果，具有一定的國際影響力。為實現HT-7超導托卡馬克裝置的高功率、穩態運行，2001年，科研人員對HT-7的實驗系統進行了數項重大改造：
（2）極向場的穩態供電及控制；
（3）利用釩鋼實現穩態條件下縱場波紋度的大幅度改善；
（3）1MW穩態低雜波電流驅動系統；
（4）高性能水冷石墨限制器及粒子排除系統；
（5）新型射頻天饋系統；
（6）海量數據實時連續採集系統；
（7）數項先進等離子體診斷系統。
在物理上，HT-7緊緊圍繞穩態高約束等離子體運行這一世界前沿課題展開深入研究。為達到這個目的所開展的實驗如下：
（1）低雜波電流驅動及改善約束；
（2）離子伯恩斯坦波加熱及改善約束；
（3）邊界湍流及輸運研究；
（4）等離子體參數精細分布控制；
（5）先進壁處理；
（6）穩態運行及控制。
隨著物理實驗的不斷深入，2001年冬季實驗又獲重大進展，獲得了許多研究成果：
（1）實現了在低雜波驅動下電子溫度超過五百萬度、中心密度大於、長達20秒可重復的高溫等離子體放電；
（2）實現大於10秒、電子溫度超過一千萬度、中心密度大於的高參數等離子體放電，這是世界上第二個放電長度達到1000倍能量約束時間高參數准穩態等離子體；
（3）在離子伯恩斯波和低雜波協同作用下，實現放電脈沖長度大於100倍能量約束時間、電子溫度二千萬度的高約束穩態運行；
（4）最高電子溫度超過三千萬度。
截至目前，HT-7超導托卡馬克達到的主要物理和技術指標為：
（1）等離子體參數：放電時間20秒，電子溫度 >3000萬度，電子密度 ，等離子體電流240千安；
（2）裝置運行參數：磁場強度2.2特斯拉，本底真空；
（3）低雜波系統指標：最大注入功率700千瓦，環電壓降至0，並向變壓器反充電；
（4）離子迴旋波加熱和IBW指標：最大注入功率330千瓦,等離子體電子溫度和離子溫度明顯升高；
（5）等離子體和壁相互作用：RF清洗及RF硼化和硅化效果明顯，有效Zeff接近1；
（6）診斷技術及所達指標：總診斷35種，400多路診斷信號；
（7）加料技術：彈丸注入和IBW協同實驗，發現芯部約束改善；Laval噴嘴實驗已取得初步結果；
（8）等離子體控制：多變數控制，等離子體電流、位移反饋，實現等離子體參數靈活調節，較高放電重復率。
以上指標充分說明，HT-7超導托卡馬克裝置已步入可進行高參數穩態條件下等離子體物理研究的先進裝置行列。 為了在近堆芯的高參數條件下研究等離子體的穩態和先進運行，深入探索實現聚變能源的工程、物理問題，中科院等離子體物理研究所在建成超導托卡馬克HT-7的基礎上，提出了「HT-7U全超導非圓截面托卡馬克裝置建設」計劃，後更名為EAST。EAST由實驗「Experimental」、先進「Advanced」、超導「Superconcting」、托卡馬克「Tokamak」四個單詞首字母拼寫而成，它的中文意思是「先進實驗超導托卡馬克」，同時具有「東方」的含意。
EAST裝置是由我國自行設計研製的全超導托卡馬克裝置，其主要技術特點和指標是：16個大型「D」形超導縱場磁體將產生縱場強度 ；12個大型極向場超導磁體可以提供磁通變化 ΔФ ≥ 10 伏秒；通過這些極向場超導磁體，將能產生 ≥ 100萬安培的等離子體電流；持續時間將達到1000秒，在高功率加熱條件下溫度將超過一億度。
EAST裝置的主機部分高11米，直徑8米，重400噸，由超高真空室、縱場線圈、極向場線圈、內外冷屏、外真空杜瓦、支撐系統等六大部件組成。其實驗運行需要有大規模低溫氦製冷、大型高功率脈沖電源、大型超導體、大型計算機控制和數據採集處理、兆瓦級低雜波電流驅動和射頻波加熱、大型超高真空、以及多種先進診斷測量等系統支撐。學科涉及面廣，技術難度大，許多關鍵技術目前在國際上尚無經驗借鑒。特別是EAST運行需要超大電流、超強磁場、超高溫、超低溫、超高真空等極限環境，從芯部上億度高溫到線圈中零下269度低溫，給裝置的設計、製造工藝和材料方面提出了極高的要求。
EAST的不僅是一個全超導托卡馬克（右圖為托卡馬克示意圖），而且具有會改善等離子體約束狀況的大拉長非圓截
面的等離子體位形，它的建成將有效推動我國磁約束核聚變研究發展。在裝置建成後的10-15年期間，能在裝置上對建造穩態先進的托卡馬克核聚變堆的前沿性物理問題開展探索性的實驗研究。
EAST的大小半徑雖然只有國際熱核聚變實驗堆（即ITER）的1/3和1/4，但位形與ITER相似，比ITER早10-15年投入運行。EAST是一個近堆芯高參數和穩態先進等離子體運行科學問題的重要實驗平台，它將在ITER之前成為國際上最重要的穩態偏濾器托卡馬克物理實驗基地。

⑥ 磁約束熱核聚變的實驗進展

近年來環流器類型的磁約束裝置實驗及理論和計算分析得到的，關於磁約束等離子體的規律性知識，代表了等離子體物理學的廣泛而較為深入的前沿新發展。
這方面主要的成果之一是，確定了一些重要參量在一定范圍內適用的比例規律(也稱變標規律、定標定律)。其中，首先是關於等離子體能量約束時間τE和約束條件參量nτE的比例規律。由最近的大型環流器歸納出來的結果表明，隨著等離子體尺寸的增大，τ和nτE的增加比等離子體尺寸的平方要快些。另一個實驗結果，等離子體的溫度平均地正比於單位體積內注入的二級加熱的功率。最新一代大環流器目前已經達到的溫度和約束參量略見表。在這個基礎上，根據已經得到的，nτE和T的比例規律，實現這些裝置的目標將是可能的。這也就是說，受控熱核聚變的科學可行性，將通過環流器上的實驗，得到證實，目前計劃將在20世紀80年代末實現。
關於磁約束熱核聚變的等離子體物理學，主要內容有兩個方面。一方面是歷史性的知識積累，以受控熱核聚變的科學可行性的驗證為總目標的許多原理性實驗，其中包括各種熱核聚變途徑的探索。除了環流器和開端的磁鏡約束形態；還有其他多種磁約束途徑正在研究中。第一代實用聚變堆的堆型尚待將來在改進型的環流器和其他途徑中進行比較選定。另一方面是在這些探索、研究過程中現在已經形成的，物理學的一個新分支，磁約束等離子體物理學。

⑦ 磁約束核聚變的約束形態

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。

⑧ 磁約束核聚變的環流器實驗的進展

近年來環流器類型的磁約束裝置實驗及理論和計算分析得到的，關於磁約束等離子體的規律性知識，代表了等離子體物理學的廣泛而較為深入的前沿新發展。
這方面主要的成果之一是，確定了一些重要參量在一定范圍內適用的比例規律(也稱變標規律、定標定律)。其中，首先是關於等離子體能量約束時間τE和約束條件參量nτE的比例規律。由最近的大型環流器歸納出來的結果表明，隨著等離子體尺寸的增大，τ和nτE的增加比等離子體尺寸的平方要快些。另一個實驗結果，等離子體的溫度平均地正比於單位體積內注入的二級加熱的功率。最新一代大環流器目前已經達到的溫度和約束參量略見表。在這個基礎上，根據已經得到的，nτE和T的比例規律，實現這些裝置的目標將是可能的。這也就是說，受控熱核聚變的科學可行性，將通過環流器上的實驗，得到證實，目前計劃將在20世紀80年代末實現。
關於磁約束熱核聚變的等離子體物理學，主要內容有兩個方面。一方面是歷史性的知識積累，以受控熱核聚變的科學可行性的驗證為總目標的許多原理性實驗，其中包括各種熱核聚變途徑的探索。除了環流器和開端的磁鏡約束形態；還有其他多種磁約束途徑正在研究中。第一代實用聚變堆的堆型尚待將來在改進型的環流器和其他途徑中進行比較選定。另一方面是在這些探索、研究過程中現在已經形成的，物理學的一個新分支，磁約束等離子體物理學。

⑨ 磁約束核聚變的基本條件

對於原子核聚變反應中反應截面最大、相對容易實現的氘-氚聚變,要實現控制，最終建造可提供有增益的聚變能的熱核聚變反應堆，必須具備一些基本的物理條件。
①把高度純凈的、氘和氚的混合材料,加熱到1億度以上，即達到所謂熱核溫度。在這樣的超高溫度，氘氚混合氣體已完全電離，成為氘、氚原子核和自由電子混合而成的等離子體。
②從常溫下處於分子狀態的氘、氚材料開始，一直到上述熱核溫度的整個加熱過程中，把這個尺寸有限的等離子體約束起來，使組成等離子體的原子核在發生足夠多的聚變反應之前，不至於失散。定量地說，對於氘氚聚變，需要滿足下列條件：n×t≥常數，
式中n是單位體積(立方米)等離子體內原子核的數目（等於同一體積內自由電子的數目），t是一個帶有平均熱動能的高速電子或原子核在等離子體內停留的時間。這個條件稱為約束條件，或勞孫判據，它是根據氘氚聚變的反應截面並考慮了等離子體整個加熱和產能過程中熱能轉換實際可能的效率而得出的,是聚變反應堆產生功率(能量)增益所必需滿足的最低條件。例如,當氘氚混合體的原子核密度(指的是數密度，下同)n為10∧20個每立方米時，要求每個電子及原子核在等離子體內停留的時間，平均達到1秒以上。

⑩ 托卡馬克核聚變的實驗裝置

「超導托卡馬克抄核聚變」實驗包括襲一個具有非圓小截面的大型超導托卡馬克實驗裝置和低溫、真空、水冷、電源及控制、數據採集和處理、波加熱、波驅動電流、診斷等子系統。其中超 導托卡馬克裝置是本項目的核心。而超導托卡馬克裝置又包括超導縱場與極向場磁體系統、真空室、冷屏、外真空杜瓦及面對等離子體部件等部件。承擔各部件設計的工程技術人員，在充分集思廣益、充分發揮創新能力的基礎上,借鑒國際上同類裝置的經驗,通過一絲不苟的努力工作，目前各項工作的進展呈良性循環---設計推動了預研工作的進行，預研工作的結果又使設計得到進一步優化。 為世界近堆芯聚變物理和工程研究搭建起了一個重要的實驗平台，為我國磁約束核聚變研究的進一步發展，提升中國磁約束聚變物理、工程、技術水平和培養高水平人才奠定了堅實基礎。EAST是世界上唯一投入運行的全超導磁體的托卡馬克裝置，將為國際熱核聚變實驗堆（ITER）的建設及聚變能的發展做出了重要貢獻。