磁约束核聚变实验装置

⑴ 磁约束热核聚变的约束形态

开端的磁镜约束形态
自研究核聚变以来，已提出了许多种磁约束途径，可按磁力线的形状分为开端和闭合两类，分别简述如下。
解决等离子体沿磁力线流失的问题，人们很早的一个想法是把长圆柱两端的磁场特别地加强，如图2,中间部分的磁力线平直均匀,磁场强度为B0,两端磁场的强度,增加到Bm。直筒真空室剖面磁力线的分布形状如图，两端磁力线还是开放的，因此称为“开端”。在这样的磁场形态中，沿着磁力线运动的带电粒子向端部区域接近时，有可能会被加强了的磁场反射回来，因此，这种磁场形态称为磁镜。整个安排是一个双磁镜系统。
现在说明磁镜反射带电粒子的原理
对于磁场随时间和空间的变化不是很剧烈的情况，在不均匀磁场中带电粒子的运动，遵从磁矩守恒的规律，带电粒子的磁矩（见绝热不变量）。设在图2系统的中部有一带电粒子, 运动速度为v，动能,运动方向和图2轴线即B0的方向成θ角,那么，这个粒子在垂直方向的动能为。当它沿磁力线朝着磁镜方向运动，磁场B增加时，成比例地增加,保持磁矩不变。由于粒子的总能量也守恒，因此它在平行方向的动能和速度,和v∥=vcosθ，会相应地减少。而粒子的运动轨道和图中轴线的夹角θ=arctg(v寑/v∥)相应地增加。这样，直到v〃减少成为零，那时θ角达到90°,带电粒子不再前进，而只能反射回来，又重新得到平行方向的动能，于是，这个带电粒子就在等离子体中被约束在两端磁镜之间，在作快速微小的回旋运动的同时，不断地来回穿梭运动。
如果带电粒子在系统中间原来的速度，比较接近平行于轴线,到达磁境时它的轨道和轴线的夹角θ还没有增加到90°，那么，它就会穿出磁镜而散失，这就称为粒子的磁镜端损失。由前述磁矩守恒关系可以推出，带电粒子原来的轨道和轴线的夹角θ0有个限值θc ,
凡θ0小于这个有限值的带电粒子,都要由磁镜端损失掉。使用适当的磁镜比Bm/B0,等离子体中带电粒子的大部分可被双磁镜约束。被约束的粒子,和其他粒子碰撞后,如θ0变为小于θc，则仍会被损失掉。总的说，双磁镜安排改善了粒子的端损失，但还很难满足受控热核聚变所要求的约束条件。
磁镜系统的端损失，可以用更复杂的安排来作进一步的改善。例如，用多重的串级磁镜，以及注入特定分布的高、低能量的带电粒子和中性粒子及高频波来造成特殊的端部和边缘等离子体区，使系统中部和两端磁镜之间保持一定的静电电位差(静电约束)和温度差（热垒约束），以进一步约束中心的等离子体。利用这类原理的、典型的磁镜型热核反应聚变堆的设计参量一例：中心等离子体长度130米，直径0.98米，中心磁场4.7特斯拉；离子温度28千电子伏，电子温度24千电子伏，约束参量(n)5.2×10τ秒/米;聚变功率2.6×10千瓦,发电功率1.2×10千瓦。目前,以这样的聚变堆为目标,有的国家正在进行原理验证性的实验。同时，在开端的磁约束方法方面，还有更多的基础性探索研究。
磁力线闭合的环形约束形态
解决等离子体沿磁力线流失的另一种办法是把磁力线连同等离子体柱弯曲起来，使它的两端互相连接，成为一个环形，磁力线闭合起来。把一个导线绕成的长螺线管弯成一个环形，或者在环形的真空室外绕上线圈，就能做到这一点。不幸的是，在这样的环形磁场安排中，等离子体的运动发生了新的情况：组成等离子体的带电粒子发生一些漂移运动。最严重的一种漂移运动是带电粒子在磁场和静电场并存而后两者又不互相并行时发生的电漂移。如图3，在一个简单地用螺线管弯成的磁场中，环形等离子体内会出现一个沿子午面（环的小截面）的电场E，它和环向磁场B的方向垂直，这样，按照电漂移的规律，等离子体中的带电粒子，不分正负和快慢，因此，即整个等离子体，都以同一速度v=E/B迅速向侧面漂移而碰壁散失。
环形磁约束等离子体中的电场E 是由带电粒子的另一类漂移运动即磁漂移所造成的。在磁场中磁场强度存在梯度时即磁力线发生弯曲时，磁场梯度本身和带电粒子沿弯曲的磁力线运动时的离心力两者合起来使带电粒子发生漂移，正、负粒子漂移的方向相反。因此，在简单的环形磁场安排中，带电粒子按照正、负，分别朝着图3等离子体柱截面的上方和下方漂移，造成电荷正负分离积累，有如在电容器的两端，这样上下分别积聚的电荷就产生了电场E。
磁力线的旋转变换
解决简单环形磁场中正负电荷分离因而发生电漂移的基本方法是,使磁力线来一个旋转变换。如图4，在环的小截面上取一个半径为r的小圆周,其中心线是大圆周的环形轴线。取一条经过小圆周上A点的磁力线,在简单的环形磁场中，每一条这样的磁力线都是和环形轴线相似的一个大圆周。假定现在给这磁力线加上一个沿小圆周（子午面）的切线方向的磁场分量（称为“极向场”分量），使磁力线沿环形前进时向箭头所指的方向扭转，变成一条螺旋形扭曲的磁力线，它沿环形走一圈后回到了小圆周上的A┡点，这样继续不断地沿环形多次绕行，最后形成由这条磁力线连续编织成的一个环形筒状的“磁力线面”（简称“磁面”），这样，整个磁场就由一个套一个的环形筒状磁面构成。这就是磁力线的“旋转变换”。螺旋形的磁力线的螺距的尺寸、和环形轴线大圆周的半径同一数量级，比粒子的回旋半径大得多。当一个带电粒子沿这样的磁力线运动时，漂移的情况发生变化。因为，这个粒子在不断地绕环形轴线OO┡旋转,它相对于环形轴线OO┡的上下左右位置不断地改变,而粒子磁漂移的朝上还是朝下则由整个环形向里弯曲这一特点和粒子电荷的正负所决定，没有变，因此，如果这个粒子开头是向上漂移而离开轴线OO┡，到后来它仍旧向上漂移,就变成向轴线OO┡接近，平均起来，距离轴线为r不变。这样，总起来就避免了粒子磁漂移所造成的电荷分离。
环流器磁场形态
以简单的环形磁场B为基础,加上一个垂直方向的“极向磁场” Bp,即在环的小截面上的一个旋转式的磁场分量，来造成磁力线的旋转变换，其方法之一是，在等离子体内设法产生一个环形的电流IP（图4）,这个环形电流按安培定律的右手法则产生极向磁场Bp。利用这一原理而所用的极向场Bp的值平均不大于 (a/R)B（式中R和a分别为等离子体环形轴线大圆的半径和小截面的半径）的环形磁约束装置称为环流器（译名托卡马克），这是目前在实验上最有成效的磁约束形态。
下表列举了最新一代的环流器实验装置，它们也是目前在国际上规模最大的磁约束装置。它们的设计参数，都以实现受控热核聚变在等离子体物理上所要求的两个基本条件为目标。当前，用环流器原理设计的，实用的热核聚变反应堆的规格、尺寸和磁场强度等，一般不超过这些装置相应指标的一倍。

⑵ 什么是磁约束可控核聚变，是否可以进行商业化发电

核能包括裂变能和聚变能两种主要形式。核聚变，又称核融合、融合反应或聚变反应，是将两个较轻的核结合而形成一个较重的核和一个很轻的核（或粒子）的一种核反应式。目前开展的受控核聚变研究正是致力于实现聚变能的和平利用。其实,人类已经实现了氘氚核聚变，即氢弹爆炸，但那是不可控制的瞬间能量释放, 人类更需要受控核聚变。维系聚变的燃料是氢的同位素氘和氚, 氘在地球的海水中有极其丰富的蕴藏量。特别的,聚变产生的废料为氦气, 是清洁和安全的。因此, 聚变能是一种无限的、清洁的、安全的新能源。这就是世界各国不遗余力竞相研究、开发聚变能的根本原因，受控核聚变，受控热核聚变能的研究主要有两种-惯性约束核聚变和磁约束核聚变。磁约束核聚变 利用强磁场将氘氚气体约束在一个特殊的磁容器中并加热至数亿摄氏度高温来实现聚变反应 。其设备比较大，但反应持续性能好，不需要反复点火，但其缺点在于开、关火性能不佳，灵活度不够，而且维持强磁场所需的电能成本也不低。磁约束核聚变适合作为核电站、大型船舶的供电系统，如ITER-ITER - the way to new energy。惯性约束核聚变利用超高强度的激光在极短的时间内辐照氘氚靶来实现聚变。其好处在于设备可以做小，而且开、关火控制性能也比较好，但其缺点是需要消耗大量能源产生激光用来点火，而且燃料靶丸制造成本也很难降下来。 惯性约束核聚变适合在未来用于飞行器等领域，磁约束核聚变研究从上世纪 50 年代在美、英、俄、中等国开始，陆续出现了各种形式的脉冲放电和磁约束位形，经过艰难探索之后主要集中在托卡马克、仿星器位形上，而以托卡马克发展最快。，托卡马克（Tokamak）装置是实现磁约束核聚变反应的一个非常有前途的方法，而超导托卡马克使磁约束位形能连续稳态运行，是公认的探索和解决未来聚变反应堆工程及物理问题的最有效的途径。

⑶ 核聚变要在近亿度高温条件下进行，这时所有物质都被气化，那么怎样产生高热，又用什么装它呢

核聚变反应堆主体是用一种球形磁场来约束的。核聚变的产生条件就需要较小的原子核发生碰撞和融合，但原子核都带正电，原子外层都带负电。

原子核想碰一起需要很高的能量来突破电磁力的排斥，就像让两块小磁铁同极相触一样（但难度不是一个量级）。温度反映了物质内部粒子的运动能量，所以高温下才会有可能让高速的原子核艰难碰撞在一起。

要引发氢弹首先要引发原子弹，用原子弹核裂变产生的极高温度才能使氢核之间剧烈碰撞而发生核聚变反应，所以一般某国家在研究两弹时，都是先研制出原子弹，再研制出氢弹。这也是为何氢弹比原子弹杀伤力强的原因之一。

(3)磁约束核聚变实验装置扩展阅读：

热核反应，或原子核的聚变反应，是当前很有前途的新能源。参与核反应的轻原子核，如氢（氕）、氘、氚、锂等从热运动获得必要的动能而引起的聚变反应（参见核聚变）。热核反应是氢弹爆炸的基础，可在瞬间产生大量热能，但尚无法加以利用。

如能使热核反应在一定约束区域内，根据人们的意图有控制地产生与进行，即可实现受控热核反应。这正是在进行试验研究的重大课题。受控热核反应是聚变反应堆的基础。聚变反应堆一旦成功，则可能向人类提供最清洁而又是取之不尽的能源。

冷核聚变是指：在相对低温（甚至常温）下进行的核聚变反应，这种情况是针对自然界已知存在的热核聚变（恒星内部热核反应）而提出的一种概念性‘假设’。

这种设想将极大的降低反应要求，只要能够在较低温度下让核外电子摆脱原子核的束缚，或者在较高温度下用高强度、高密度磁场阻挡中子或者让中子定向输出，就可以使用更普通更简单的设备产生可控冷核聚变反应，同时也使聚核反应更安全。

⑷ 磁约束核聚变的环流器等离子体的加热

如何把磁约束的等离子体加热到1亿度（即10千电子伏）左右或更高的温度。就实验上领先的环流器途径而言，30年来先后开展的加热方法主要有如下三类。
欧姆加热
利用环流器等离子体中流通的，用于产生磁场旋转变换的环形电流IP，对等离子体本身进行欧姆加热，这样的加热遵从理论上推广了的欧姆定律。随着温度的升高，环形等离子体的电阻迅速降低（这一点和金属导体的行为相反），加热效率下降。需要采取特殊措施，才有可能达到建造聚变堆所需的温度。目前，大量的实验研究仍在继续进行。
中性粒子束注入
将强流离子束，经过气体交换室进行电荷交换变成中性粒子束，然后注入磁约束装置。在环流器上一般用于在欧姆加热基础上的二级加热。是迄今为止取得温度最高的加热方法。所用的中性束，粒子能量为100千电子伏左右，功率为10～30兆瓦。
射频波加热
利用等离子体外输入的，适当频率的各种电磁波，通过等离子体内电子回旋共振（频率约60～120吉赫）、离子回旋共振（频率约30～120兆赫）、或混合共振（频率2吉赫等）的机制,进行吸收加热。目前主要是原理性实验。准备中的大型实验，射频功率为3～30兆瓦；小型实验使用的功率可相应地减少。
将来采用的方法，有可能是几种加热方法有程序的、时间空间上的优化结合。在这类结合过程的研究中将会出现许多新的物理问题。

⑸ 全超导托卡马克核聚变实验装置的研究成果

HT-7装置1995年投入运行，经过多方面的改进和完善，装置运行的整体性能和水平有了很大的提高。13年来，物理实验不断取得重大进展和突破，获得了一系列国际先进或独具特色的成果。
在中心等离子体密度大于2.2×1019/m3条件下，最高电子温度超过5 000万度；获得可重复大于60秒(最长达到63.95秒)、中心电子温度接近500万度、中心密度大于0.8×1019/m3的非感应全波驱动的高温等离子体；成功地实现了306秒的稳态等离子体放电，等离子体电流60kA，中心电子密度0.8×1019/m3，中心电子温度约1 000万度；2008年春季，HT-7超导托卡马克物理实验再次创下新纪录：连续重复实现了长达400秒的等离子体放电，电子温度1 200万度，中心密度0.5×1019/m3。这是目前国际同类装置中时间最长的高温等离子体放电。
同时，还在HT-7上开展了石墨限制器条件下的运行模式、等离子体物理特性和波加热、波驱动高参数等离子体物理特性以及高参数、长脉冲运行模式等世界核聚变前沿课题的研究，出色完成了国家“863”计划和中科院重大课题研究任务。HT-7实验的成功使中国磁约束聚变研究进入世界先进行列，也使HT-7成为世界上(EAST建成之前的)第二个全面开放的、可进行高参数稳态条件下等离子体物理研究的公共实验平台。
EAST在2007年1-2月的第二轮等离子体放电实验中，获得了稳定、可控具有大拉长比的偏滤器位形等离子体放电，最大等离子体电流达0.5MA，在0.2MA等离子体电流下最长放电达9秒，并成功完成了磁体、低温、总控和保护、等离子体控制等多项重要工程测试和物理实验。
2016年2月，中国EAST物理实验获重大突破，成功实现电子温度超过5000万度、持续时间达102秒的超高温长脉冲等离子体放电。这也是截至2016年2月国际托卡马克实验装置上电子温度达到5000万度持续时间最长的等离子体放电。标志着中国在稳态磁约束聚变研究方面继续走在国际前列。 发展目标：通过15年(2006-2020)的努力，使EAST成为我国磁约束聚变能研究发展战略体系中最重要的知识源头，使我国核聚变能开发技术水平进入世界先进行列。同时，积极参与国际合作，消化、吸收、掌握聚变堆关键科学与技术，锻炼队伍，培养人才，储备技术，使得我国有能力独立设计和建设(或参与国际合作)聚变能示范堆。
HT-7装置是国际上正在运行的(EAST投入正式运行之前)第二大超导托卡马克装置，配合EAST的科学目标开展高温等离子体的稳态运行技术和相关物理问题的研究，其稳态高参数等离子体物理实验结果和工程技术发展对EAST最终科学目标的实现和国际聚变研究都具有重要的直接意义。
EAST的科学研究分三个阶段实施：
第一阶段(3-5年)：长脉冲实验平台的建设；第二阶段(约5年)：实现其科学目标，为ITER先进运行模式奠定基础；第三阶段(约5年)：长脉冲近堆芯下的实验研究。
EAST将对国内外聚变同行全面开放，结合国内外聚变的科学、技术和人才优势，开展磁约束聚变的科学和技术研究，培养国内磁约束聚变人才，为中国聚变能的发展奠定基础。

⑹ 什么是核聚变实验堆

基本原理
核能是能源家族的新成员，包括裂变能和聚变能两种主要形式。裂变能是重金属元素的核子通过裂变而释放的巨大能量。受控核裂变技术的发展已使裂变能的应用实现了商用化，如核(裂变)电站。裂变需要的铀等重金属元素在地球上含量稀少，而且常规裂变反应堆会产生放射性较强的核废料，这些因素限制了裂变能的发展。聚变能是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核并释放出的能量。目前开展的受控核聚变研究正是致力于实现聚变能的和平利用。其实，人类已经实现了氘氚核聚变--氢弹爆炸，但那是不可控制的瞬间能量释放，人类更需要受控核聚变。维系聚变的燃料是氢的同位素氘和氚，氘在地球的海水中有极其丰富的蕴藏量。经测算，l升海水所含氘产生的聚变能等同于300升汽油所释放的能量。海水中氘的储量可使人类使用几十亿年。特别的，聚变产生的废料为氦气，是清洁和安全的。因此，聚变能是一种无限的、清洁的、安全的新能源。这就是世界各国尤其是发达国家不遗余力竞相研究、开发聚变能的根本原因。 受控热核聚变能的研究主要有两种--惯性约束核聚变和磁约束核聚变。前者利用超高强度的激光在极短的时间内辐照氘氚靶来实现聚变，后者则利用强磁场可很好地约束带电粒子的特性，将氘氚气体约束在一个特殊的磁容器中并加热至数亿摄氏度高温，实现聚变反应。 托卡马克(Tokamak)是前苏联科学家于20世纪50年代发明的环形磁约束受控核聚变实验装置。经过近半个世纪的努力，在托卡马克上产生聚变能的科学可行性已被证实，但相关结果都是以短脉冲形式产生的，与实际反应堆的连续运行有较大距离。超导技术成功地应用于产生托卡马克强磁场的线圈上，是受控热核聚变能研究的一个重大突破。超导托卡马克使磁约束位形能连续稳态运行，是公认的探索和解决未来聚变反应堆工程及物理问题的最有效的途径。目前建造超导装置开展聚变研究已成为国际热潮。 等离子体物理研究所主要从事高温等离子体物理、受控热核聚变技术的研究以及相关高技术的开发研究工作，担负着国家核聚变大科学工程的建设和研究任务,先后建成HT-6B、HT-6M等托卡马克实验装置。1994年底，等离子体所成功地建成我国第一台大型超导托卡马克装置HT-7，使我国进入超导托卡马克研究阶段，研究成果引起了国际聚变界的广泛关注。“九五”国家重大科学工程--大型非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置EAST计划的实施，标志着我国进入国际大型聚变装置(近堆芯参数条件)的实验研究阶段，表明中国核聚变研究在国际上已占有重要地位。

⑺ 磁约束核聚变国家实验室的介绍

我国聚变研究开始于此，几乎与国际上的进展同步，从1950年代初期开始，美国、英国、苏联等国就积极进行这方面的研究工作。磁约束核聚变国家实验室依托中国科学院合肥物质科学研究院、西南核物理研究院共同建设和发展。

⑻ 磁约束核聚变的基本原理

磁约束（magnetic confinement），用磁场来约束等离子体中带电粒子的运动。主要为可控核聚变提供理论与技术支持，其主要形式为托卡马克装置与仿星器装置。
基本原理
磁约束的基本原理是带电粒子在磁场中受的洛伦兹力。

物理原理
氘、氚等较轻的原子核聚合成较重的原子核时，会释放大量核能，但这种聚变反应只能在极高温下进行，任何固体材料都将熔毁。因此，需要用特殊形态的磁场把由氘、氚等原子核及自由电子组成的一定密度的高温等离子体约束在有限体积内，使之脱离器壁并限制其热导，这是实现受控热核聚变的重要条件。

工作原理
两端呈瓶颈状的磁力线，因瓶颈处磁场较强（也称作磁镜）能将带电粒子反射回来 ，从而限制粒子的纵向（沿磁力线方向）移动，使粒子在作回旋运动的同时，不断地来回穿梭，被约束在两端的磁镜之间，但是仍有一部分其轨道与磁力线的夹角小于某值的带电粒子会逃逸出去。为了避免带电粒子的流失，曾经把磁力线连同等离子体弯曲连接成环形；后来又改进为呈8字形的圆环形磁力线管，称为仿星器；实验上现最有成效的磁约束装置是托卡马克装置，又称环流器，它是环形螺线管，其中的磁力线具有螺旋形状。
相关装置

托卡马克
环流器（即tokamak，音译为托卡马克）。它的名字来源于环形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnet）、线圈（kotushka）。是目前性能最好的一种磁约束装置。（下面是环流器的图）
环流器

仿星器
为了避免带电粒子的流失，科学家曾经把磁力线连同等离子体弯曲连接成环形。后来又改进为呈8字形的圆环形磁力线管，称为仿星器。
尽管托卡马克被认为是人类未来最具有实用价值的可控核聚变装置，但仿星器也得到了世界不少科学家的研究兴趣。仿星器最早是由 Lyman Spitzer发明的并且在第二年建成，它在50-60年代曾十分流行。
德国科学家认为，仿星器可能是最适合未来核聚变电厂的类型。德国正在建造的世界上最大的仿星器实验室被命名为Wendelstein X-7。
行业活动
2014年9月4-5号，中国磁约束核聚变第二次战略研讨会在西安召开。会议形成共识，要加快制定我国磁约束核聚变技术路线图，进一步明确目标，提出具体的解决方案，深入研究支持措施和对策。[1]
2014年3月15-16日，首次磁约束核聚变能发展研究战略研讨会在北京召开。会议分析了磁约束核聚变能研究国际动态、我国磁约束核聚变能专项部署情况、研究基础和进展，从国内两大托卡马克装置能力提升、聚变堆设计研究、等离子体物理理论与实验、聚变材料、安全与防护、高校人才培养的效果评估与模式等方面对我国磁约束核聚变能发展战略进行了研讨。