核聚变第二章4.ppt

磁约束聚变 磁镜 磁镜效应：宇宙射线进入地球磁场，被捕获在两极强磁场之间来回反射，沿磁力线作螺旋运动的带电粒子往往被强磁场区域反射，这种现象称为磁镜效应。提出利用磁镜来约束等离子体。 磁镜是一种开端装置，也有很长的发展历史： 简单磁镜 → 标准磁镜 → 串列磁镜 B BM 一、简单磁镜 1、磁场特点： 圆柱形容器的中间部分磁场强度B较小，而且平坦，在两端部分磁场强度增大，最大值为BM，由两端的强磁场线圈产生。 当带电粒子由中间部分向端部运动时，v‖减小，v⊥变大，当v‖减小到零时， v⊥最大，停止向端部运动，并向中间处运动。 当带电粒子由端部向中间部分部运动时，v‖增大，v⊥减小，当运动到中心处时， v⊥最小， v‖最大，继续向端部运动。 当带电粒子的 满足 的条件时，即具有相对较大的v‖和相对较小的v⊥，虽然粒子运动到端部时，v⊥增大，v‖减小，但是v‖不为零，在这种情况下粒子将逃出磁镜，即逃出磁镜的条件是： 2、约束条件 设中心处磁场强度速为B0， 表示中心处的粒子垂直速度分量和总速度之比，可得： 其中 ，称为磁镜比，R越大磁镜的约束效果越好，能跑出去的粒子越少。 寝渐不变量（绝热不变量）：在体系参量变化非常缓慢的条件下，存在着一些变化着的物理量，将他们按照某种关系组合成另一种量，在变化的过程中这种量的改变非常小，以至于可以足够精确的将它认为是一个常数。 寝渐不变量并不是一个绝对守恒量，而是一个近似不变量。 等离子体的三个寝渐不变量是磁矩μ，磁通量Ф和纵向不变量J。 寝渐不变量磁矩μ 回旋电流： 面积： 回旋半径： 定义： 回旋频率： 代入定义式可得： 其中 表示带电粒子垂直于磁场方向运动的动能。 根据上面的推导可知： 根据μ是寝渐不变量的性质，可得： 当 时， 粒子被反射，粒子被反射时对应的角度称为临界角，即 在磁镜的中心处 当 时，粒子在端部被反射回来； 当 时，粒子在端部损失掉。 实际上，即使满足 这个条件，带电粒子也不可能长久地被约束住，由于碰撞会使粒子运动的角度发生变化，从而使等粒子体在足够的时间后通过端部全部损失掉。 同时，由于带电粒子的损失，破坏了等离子体的热平衡，这会引起微观不稳定性，使粒子和能量的损失增大。 由此可见，带电粒子能否被反射，究竟是成为俘获粒子还是逃逸粒子，不取决于粒子动能的大小，而取决于粒子的速度方向和磁场方向之间的夹角。 引用磁镜比： 为改善磁镜约束，应该提高磁镜比R。但R的增加是有限的，而且对改善约束好处不大。中心区磁场过弱会降低径向的约束。 简单磁镜最大的缺点是宏观稳定性不好。在简单磁镜的中心区，磁力线的曲率半径中心在等离子体区。也就是说，磁场在径向向外减弱。这样的磁场位形对多种磁流体不稳定性是不稳定的。 在磁镜中可以用等离子体枪注入或用电子回旋共振波产生初始等离子体。可用磁压缩、离子共振波注入或高能中性粒子注入进一步提高温度。 二、标准磁镜(standard mirror) 改善磁场位形的方向是寻求一种外加磁场位形，它在径向是越往外磁场越强。 为增加边界区的磁场强度，一种方法是外加磁场。 约飞在两个圆形磁镜 线圈之间对称地安装了 4根纵向导体棒，相邻2 根导体棒中通过的电流 方向相反，和原来的磁 场叠加形成磁阱位形。 可以将其与产生轴向磁场的线圈合在一起，形成一个线圈。其形状像垒球的缝线轨迹，称为垒球线圈。 有人将其分为两个，称为阴-阳线圈，可以具有更大的磁镜比 三、串列磁镜 仿星器（stellartor） 仿照星球内的高温等离子体。 8字型仿星器位形 标准仿星器位形 与环流器相比： 最大的不同之处在于它的脚向场是靠外加的螺旋形绕组产生的，螺旋绕组象一个沿着环向拉伸的螺旋管，通电后产生螺旋形的磁力线，和环向磁力线耦合成螺旋形的总磁力线，提供旋转变换磁剪切和平均磁阱。 标准仿星器位形的特点： 它的结构以及产生的等离子体，都不再保持轴对称了。 它的等离子体截面也不可能保持圆形。 当沿着环的小轴前进时，非圆的形状是旋转的。 这些特点使仿星器的约束理论很难，磁场位形也很复杂。 在工程上，标准仿星器的线圈布置有明显的缺点，即它们互相套叠，安装拆卸困难，特别不适合于反应堆。 1、扭曲器(torsatron) 用一组同一电流方向的螺旋线圈代替原来的环向场线圈和螺旋绕组。其数目是原来螺旋绕组线圈数目之半。而它们产生的垂直方向磁场用另一组水平方向的垂直场线圈抵消。 2、螺旋磁轴装置heliac(Helical Axis