[科普中國]-磁約束

原理

組成聚變等離子體的電子、燃料的離子及非燃料元素的離子(雜質(zhì))，以及它們攜有的能量，可以通過多種物理過程從約束區(qū)域流失。這些過程包括粒子軌道與器壁相交引起的直接損失， 由粒子間碰撞及粒子群集體相互作用引起的擴(kuò)散和熱傳導(dǎo)， 各種輻射損失等。

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(yīng)只能在極高溫下進(jìn)行，任何固體材料都將熔毀。因此，需要用特殊形態(tài)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(nèi)，使之脫離器壁并限制其熱導(dǎo)，這是實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩兊闹匾獥l件。

利用強(qiáng)磁場能大幅度地減小帶電粒子橫越磁力線擴(kuò)散和導(dǎo)熱的特性， 使處在磁場中的高溫等離子體的芯部與容器的器壁隔離開。

磁約束位形從幾何形態(tài)上分，磁約束位形分為直線位形和環(huán)形位形。

直線位形直線位形的代表是磁鏡，其等離子體約束區(qū)的結(jié)構(gòu)像一個紡錘(圖1)。其原理是一部分帶電粒子(相對于磁力線方向而言，其速度的垂直分量大于一定的臨界值)會從磁場較強(qiáng)的端塞區(qū)反射回來，于是在磁場較弱的中部形成約束區(qū)。由附加的復(fù)雜的磁場保證等離子體的宏觀穩(wěn)定性。但是，由于粒子的碰撞作用，帶電粒子在一定時間內(nèi)仍能從磁縫中逸出，這是磁鏡位形要解決的主要問題。目前提出用多級鏡來減小這種損失，稱為串級磁鏡。不過，磁鏡裝置實(shí)驗(yàn)得到的總體等離子體參數(shù)離建聚變堆的差距太大，現(xiàn)在磁鏡位形的研究已基本停止。

環(huán)形位形環(huán)形位形是各種磁力線封閉在空間“環(huán)形”區(qū)域中的位形的總稱(不一定是圓環(huán))，包括托卡馬克、仿星器(及一般地稱作先進(jìn)環(huán)形位形)、反向場位形等。帶電粒子不會沿磁力線逸出約束區(qū)，但由于環(huán)形不均勻性，粒子可以橫越磁場做漂移運(yùn)動，電子和離子的漂移方向相反，因而會引起電荷分離，這一過程中的電場具有破壞整體約束的作用。解決的辦法是引起沿環(huán)的徑線方向的磁場(“極向”磁場)，也稱對磁力線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換，使磁力線成為環(huán)形螺線。這樣一來大部分的粒子的軌道將閉合，如果對總體磁場進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以保證等離子體的整體宏觀穩(wěn)定性。2

研究裝置磁約束研究的主要途徑現(xiàn)有托卡馬克裝置、先進(jìn)環(huán)形裝置(仿星器)、反向場箍縮、球形環(huán)及串級磁鏡等。

托卡馬克環(huán)流器（即tokamak，音譯為托卡馬克）。它的名字來源于環(huán)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。

反向場箍縮這是一類環(huán)向磁場強(qiáng)度較低(與托卡馬克相比)，環(huán)向電流較強(qiáng)的位形，因靠近邊緣區(qū)的環(huán)向磁場與中心區(qū)的環(huán)向磁場方向相反而得名。理論分析認(rèn)為這類位形具有更高的穩(wěn)定比壓值。等離子體因電流的焦耳熱及湍流過程而得到加熱，也可引入中性束等二級加熱。實(shí)驗(yàn)研究獲得了穩(wěn)定運(yùn)行的參數(shù)區(qū)，但溫度、密度都較低。與托卡馬克比，輸運(yùn)損失明顯地大，而且雜質(zhì)含量很高。

串級磁鏡簡單的磁鏡位形中氘氚等離子體的品質(zhì)因子(聚變功率與加熱功率之比值)必定小于1，只有串級磁鏡才有可能建成聚變堆。主要原理是在磁鏡端塞處建立電位壘來阻止粒子沿磁力線的快損失，建立“熱壘”來減小電子熱傳導(dǎo)。由于大型串級磁鏡裝置的建造方案未被批準(zhǔn)，現(xiàn)在只有幾個較小規(guī)模的裝置在進(jìn)行原理性研究。

球形環(huán)又稱小徑比托卡馬克，其等離子體的大半徑與小半徑之比可減小到1.2左右。這種位形具有很高的穩(wěn)定比壓值(已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大于40%的平均比壓，為托卡馬克的5倍)，因而有很高的功率密度。裝置結(jié)構(gòu)相對簡單，環(huán)向磁場通過中心導(dǎo)體柱流過的電流產(chǎn)生，極向電流中含較大比例的自舉電流，因此降低了電流驅(qū)動的要求。可以采用中性束注入及波加熱。磁體可以采用銅導(dǎo)體，聚變堆可以小型化，可能在核廢料處理及強(qiáng)中子源方面首先得到應(yīng)用。幾個較大規(guī)模裝置即將投入運(yùn)行。

仿星器為了避免帶電粒子的流失，科學(xué)家曾經(jīng)把磁力線連同等離子體彎曲連接成環(huán)形。后來又改進(jìn)為呈8字形的圓環(huán)形磁力線管，稱為仿星器。

盡管托卡馬克被認(rèn)為是人類未來最具有實(shí)用價(jià)值的可控核聚變裝置，但仿星器也得到了世界不少科學(xué)家的研究興趣。仿星器最早是由 Lyman Spitzer發(fā)明的并且在第二年建成，它在50-60年代曾十分流行。

德國科學(xué)家認(rèn)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(shí)驗(yàn)室被命名為Wendelstein X-7。

方案設(shè)計(jì)要求組成聚變等離子體的電子、燃料的離子及非燃料元素的離子(雜質(zhì))，以及它們攜有的能量，可以通過多種物理過程從約束區(qū)域流失。這些過程包括粒子軌道與器壁相交引起的直接損失， 由粒子間碰撞及粒子群集體相互作用引起的擴(kuò)散和熱傳導(dǎo)， 各種輻射損失，等等。一種合乎要求的磁約束方案必須同時解決三方面的問題：①能很好地約束帶電粒子；②能確保聚變等離子體處于穩(wěn)定的宏觀平衡態(tài)；③具有良好的橫越磁場的輸運(yùn)(擴(kuò)散和熱傳導(dǎo))特性和在合理程度上控制雜質(zhì)。