受控核聚变——现代物理学的一个重要前沿领域(之五)

 五、如何达到点火温度核聚变研究的重要目标之一是设法把等离子体的温度提高到10keV以上.这是实现聚变点火必不可少的基本条件之一.主要的加热手段包括欧姆加热,高能中性粒子束注入加热,大功率射频波加热,绝热压缩加热和α粒子加热等.1.欧姆加热的原理及其局限性众所周知,等离子体是良导体,但具有一定的电阻,一旦有电流通过,因电阻效应而得到了加热.按照欧姆定律,其加热功率密度表示为:P=ηj²,式中η是等离子体电阻率,可表示为η=2.8×10^-8/T（?）（欧姆米）,其中电子温度T_?以keV为单位.这个简单表达式是假定采用氢等离子体、其密度为10²⁰m^-3情况下代入著名的斯必泽公式得到的.从上式中可知,随着等离子体电子温度的不断升高,其电阻率急剧下降,由此引起欧姆加热的功率密度急剧下降.这说明欧姆加热这种方式有局限性.我们知道,所有托卡马克的等离子体最初都由环向的等离子体电流提供欧姆加热.但经过计算表明,仅依靠欧姆加热,其电子温度至多加热到1.5keV左右.为使等离子体达到10keV以上的聚变点火温度,必须在欧姆加热的基础上采用等离子体辅助加热.目前获得成功并受到广泛重视的辅助加热手段有高能中性粒子束注入法和射频波共振吸收法.     

快重离子束实现点火的可行性

采用蒙特卡罗方法计算了低温下C,Si,Ar,Au和U等多种重粒子在等物质的量氘氚等离子体密度1000 g/cm3、热斑直径50 m中的电子能量损失,不同点火形式下入射能量和作用时间,以及燃料约束时间为20 ps条件下的束流强度。通过对数据的分析研究了这些重粒子辐照实现氘、氚燃料快点火的可能性。结果表明,重粒子束流加热等离子体实现快点火理论上可行,而且有一定的优势;较重的离子加热聚变等离子体的效果更好。重粒子束流加热等离子体到聚变温度需要的束流强度在MA左右;单个粒子的能量在GeV以上;相互作用时间为ps以下。     

800keV,8电极负离子束系统的数值计算

高能量、大功率中性束注入是对大型受控核聚变装置进行等离子体加热、无感电流驱动并控制电流分布和点火燃烧温度的主要方法。由于负离子在高能量下仍具有很高的中性转换效率,基于负离子中性转换的方法已成为研制高能中性束注入器的主要手段。为此,我们对800keV、5电极强流负离子束系统进行了数值模拟研究。     

核聚变装置辐射功率密度时空分布测量

本文对HL-1M托卡马克装置注入氢分子束，然后注入氢弹丸，最后注入电子回旋波加热等离子体的辐射功率密度时空分布特性做了分析。主要实验结果有氢分子束和氢弹丸等离子体辐射功率密度时空分布是不对称的，分子束和氢弹丸注入将增加等离子体中心区域辐射功率密度，电子回旋波的注入等离子体辐射功率密度时空分子基本对称。     

激光等离子体中高能电子各向异性压强的粒子模拟

直接驱动惯性约束聚变(ICF)的实现需要对靶丸进行严格的对称压缩,以达到自持热核反应(点火)所需的条件.快点火方案的应用降低了对靶丸压缩对称性以及驱动能量的要求,但压缩及核反应过程中良好的靶丸对称性无疑有助于核反应增益的提高.本文研究了快点火方案中高能电子注入高密等离子体后导致的各向异性电子的压强张量.这一现象存在于ICF快点火方案中的高能电子束"点火"及核反应阶段.鉴于高能电子加热离子过程以及靶丸核反应自持燃烧过程的时间较长,高密靶核会由于超高的各向异性压强的作用破坏高密靶丸的对称性,降低核燃料密度,进而降低了核燃料燃烧效率以及核反应增益.     

HL—1M中的聚变中子产额

本文概算了在欧姆加热、波加热和中性束注入条件下，ＨＬ－１Ｍ托卡马克等离子体的聚变中子变额中子通量，以及相关的电离率，电交换率及快离子的空间分布。计算结果为发展下一代聚变中子探测系统和进行中子辐射的环境评估提供了依据。     

HL－1M中的聚变中子产额

本文概算了在欧姆加热、波加热和中性束注入条件下，ＨＬ－１Ｍ托卡马克等离子体的聚变中子产额、中子通量，以及相关的电离率、电荷交换率及快离子的空间分布。计算结果为发展下一代聚变中子探测系统和进行中子辐射的环境评估提供了依据。     

EAST�ŵ����ֵģ�⼰����������

用TSC程序模拟了EAST装置等离子体放电的全过程。模拟中考虑了自举电流，并加入了离子回旋共振加热ICRH和快波电流驱动FWCD，得到了中心电子温度4.5keV、中心离子温度3.8keV、中心电子密度1.2×1020m–3的D形截面的等离子体。根据模拟结果对EAST装置进行了伏秒数分析，并研究了不同等离子体电流上升时间、有效电荷数Zeff对放电的影响。     

等离子体与聚变物理的新进展

受控热核聚变是有长远意义的大型综合性的研究课题,其最终目标是获取轻核聚变释放的能量,从而根本解决能源问题.受控热核聚变是在高温等离子体状态下进行的,热核等离子体物理是当前等离子体物理的主要研究领域.现阶段聚变研究的中心任务,是掌握高温等离子体的规律.以寻求实现热核点火的方案.目前主要通过两种不同的途径进行探索:一种是磁约束方法,这是主要途径,其中最重要的是托卡马克型装置;另一种是惯性约束方法,利用激光或高能粒子束实现聚变.等离子体物理的另一个重要研究领域是空间及天体等离子体物理. 一、新型托卡马克与通向点火之路…     

地基高频加热激励ELF/VLF波对辐射带高能电子的准线性散射

地球内、外辐射带电子通量的变化对于空间飞行器,尤其是中低轨卫星的防护有着非常重要的影响.基于回旋共振波粒相互作用的准线性理论,使用地基高频发射器发射电波调制低电离层背景电流可以人工激励ELF/VLF波,这些波能使辐射带相对论电子发生抛射角散射沉降进入大气层从而降低其生存期.为了定量地分析人工激励ELF/VLF波散射辐射带高能粒子的可行性,针对内、外辐射带,本文选取了两个典型区域：L=4.6和L=1.5.数值计算结果表明,在内、外辐射带由于ELF/VLF波的人工注入而造成的高能电子损失时间尺度很大程度上取决于冷等离子体参量α^*(∝B²/N₀,这里B是背景磁场,N₀是电子数密度)、电波频谱特性和功率,以及与波发生回旋共振的电子能量.一般来讲,在外辐射带人工ELF/VLF哨声波散射相对论电子使之沉降到大气层要容易得多;低能量的高能电子(200keV)要比高能量的相对论电子(500keV)更有效地通过抛射角散射进入大气层.考虑到高频电波加热电离层激励的ELF/VLF波可能会被捕获在磁层空腔中,来回反射从而得到增强,因此在适当的条件下,地基高频加热装置发射足够的电波功率进入电离层诱导大幅度ELF/VLF波注入到内磁层,能够在1至3天的时间尺度内快速散射外辐射带相对论电子使之沉降,也能够在10天量级的时间尺度里散射生存周期一般为100天甚至更长的内辐射带相对论电子. 关键词： 地基高频加热电离层 ELF/VLF波激励 高能电子散射和沉降 共振波粒相互作用     

先进燃料聚变反应性增强的新机制

采用电子回旋波加热D-^３Ｈe先进燃料聚变等离子体，使它处在高的电子温度下，一些新的物理过程(如聚变产物之间核-核弹性散射、核力与库仑相干散射及核反应的传播)变得相对重要，而高能聚变产物离子与电子的库仑相互作用相对变弱.部分本底燃料离子被高能的聚变反应产物核击出而提升到分布函数尾部成为“超热”燃料离子，从而可能提高D-^３Ｈe聚变的反应性.还计算了这些机制的能量传递. 关键词： 核-核弹性散射 核-库仑相干散射 ３Ｈe聚变')" href="#">D-^３Ｈe聚变 聚变反应性增强     

HL-2Aװ��SDD��X����PHA����ʵ����

用软X射线脉冲高度分析(PHA)阵列系统获得了等离子体的电子温度剖面和电子速率分布的时间演化。测量结果表明,电子温度剖面在OH阶段较平缓,接近抛物线1.0×[1-(r/a)2]2分布;而在ECRH(功率0.8MW)阶段,等离子体中心(z＝0)电子温度上升了0.6keV,边缘(z＝30cm)处只上升了0.1keV,反映出ECRH功率沉积在等离子体中心区域;在ECRH期间有大量的高能电子产生,因而电子速率分布在ECRH期间显著改变;等离子体中心的高能电子的数量和能量都比等离子体边缘的增加更大,ECRH(～0.8MW)期间等离子体中心(z＝0)产生的高能电子的能量可达17keV。分析表明：在ECRH(纵场Bt=1.3T)放电期间,ECRH加热效果显著,ECRH的功率主要沉积在等离子体中心附近;电子温度剖面在ECRH阶段较OH阶段峰化;ECRH期间有大量的高能电子产生,电子速率分布被改变成为非麦克斯韦分布。     

激光核聚变

从五十年代以来世界各国一直按传统法进行聚变研究,设计建造了若干装置,总体上来看,进展是缓慢的,其原因是:要在远低于热核温度的情况下,使等离子体通过强大电流进行电阻加热达到点火温度是十分困难的,因为随着温度的增高,电阻将随之下降,影响温度进一步提高;另外还有约束、稳定等问题.尽管后来又发展了有效的绝热压缩和中性束注入等加热技术。但迄今仍离点火的劳森条件(离子密度和约束时间的乘积。n～1014/厘米3·秒)有两个数量级之差. 一九六八年以来国外相继报导了激光引起氘化物聚变反应放出中子的实验,一九七二年提出了激光向心爆炸理…     

HL-2A装置SDD软X射线PHA阵列实验结果

用软X射线脉冲高度分析(PHA)阵列系统获得了等离子体的电子温度剖面和电子速率分布的时间演化。测量结果表明,电子温度剖面在OH阶段较平缓,接近抛物线1.0×[1-(r/a)²]²分布;而在ECRH(功率0.8MW)阶段,等离子体中心(z＝0)电子温度上升了0.6keV,边缘(z＝30cm)处只上升了0.1keV,反映出ECRH功率沉积在等离子体中心区域;在ECRH期间有大量的高能电子产生,因而电子速率分布在ECRH期间显著改变;等离子体中心的高能电子的数量和能量都比等离子体边缘的增加更大,ECRH(～0.8MW)期间等离子体中心(z＝0)产生的高能电子的能量可达17keV。分析表明：在ECRH(纵场B_t=1.3T)放电期间,ECRH加热效果显著,ECRH的功率主要沉积在等离子体中心附近;电子温度剖面在ECRH阶段较OH阶段峰化;ECRH期间有大量的高能电子产生,电子速率分布被改变成为非麦克斯韦分布。     

氢同位素球形靶丸在其相应高能离子轰击下的消融

本文采用跨音速中性气体屏蔽模型,得到了氢同位素球形靶丸在其相应高能离子轰击下的消融率G_(is)及其定标律,s可为氢或氘。计算表明,当离子与电子的未扰态能量E_(0s)/E_(0e)~2≥1.5时,G_(is)/G_(es)≥20％,G_(es)为靶丸在等离子体电子轰击下的消融率。因此,当聚变实验有中性粒子束注入加热时,需考虑高能离子轰击对靶丸消融的影响。这也为此情况下靶丸消融强化提供了一种解释。     

HT—6M上电荷交换中性粒子能谱测量

用10道电荷文换中性粒子分析器测量了HT-6M装置的中性粒子能谱,给出了测量和数据处理方法以及在欧姆加热,高能中性粒子束(NBD)和离子回旋共振辅助加热(ICRH)条件下的能谱和离子温度,并对结果进行了分析讨论。     

HT-7上射频波加热时中子辐射行为的研究

HT-7超导托卡马克进行DD等离子体放电时,中子的辐射与辅助加热射频波的类型(LHW加热、ICRF加热)及功率密切相关.利用BF₃与³He正比计数管组成的快速时间分辨中子注量监测系统,研究了不同类型的射频加热对于中子产生机理及高能离子形成的影响.LHW加热功率较低时,易形成逃逸,产生大量的光中子.特定频率的ICRF(27 MHz,24 MHz)加热时,聚变中子所占份额以及总的中子产额均随波功率的增大而显著增涨. 关键词： 射频加热 中子 托卡马克     

中国环流器2号A托卡马克弹丸注入放电中空电流与反磁剪切位形

具备弱剪切或负磁剪切和内部输运势垒的托卡马克运行方式被认为是提高聚变性能的最有前途的方法.中空电流密度剖面与反磁剪切位形是改进堆芯约束和形成内部输运垒的关键条件之一.在中国环流器2号A(HL-2A)弹丸注入实验中,成功地实现了维持时间约为100 ms的中空电流放电.伴随着中空电流剖面的形成,同时形成了反磁剪切位形.由于欧姆加热功率不太高,且没有外部辅助加热,只能在稳定的中空电流放电阶段看到内部输运垒形成的趋势.在弹丸注入后,电子热扩散系数显著降低,说明弹丸深度注入改善了能量约束.等离子体性能的增强:一方面是由于弹丸注入造成中心高度峰化的电子密度剖面;另一方面是由于等离子体中心存在负磁剪切.同时,中空电流位形有利于改善高密度等离子体的稳定性.结果还表明,在中空电流放电中,等离子体比压值是低的.为了提高βN极限,可在等离子体边界附近放置导电壁.HL-2A弹丸注入实验的结果,为在限制器托卡马克上获得高参数放电提供了一种可能.     

EAST等离子体电子温度涨落特征的初步实验研究

在EAST上使用相关电子回旋辐射(CECE)诊断系统观测到不同等离子体参数下的电子温度涨落特征,介绍了欧姆放电、L模放电及无ELM的H模放电的三种现象。在欧姆密度爬升等离子体中,电子温度涨落与电子密度之间表现出很强的相关性,即存在电子温度涨落处于较高水平的电子密度的窗口。初步分析表明,电子温度涨落变化是电子密度梯度和电子温度梯度共同影响的结果。不同辅助加热下的L模等离子体中,电子温度涨落的频谱表现出不同的行为。由于电子回旋共振加热(ECRH)的功率有限,其对电子温度的改变很小,而中性束注入(NBI)有较高的注入功率,能够明显提升电子温度,加热方式及加热功率大小引起的电子温度变化与电子温度涨落变化相关。在没有边缘局域模(ELM)的H模期间,可以观测到频率为18kHz的准相干模,其存在于归一化半径ρ=0.71～0.87较宽的径向范围内。     

HL－1装置辅助加热等对能量约束的影响

在ＨＬ－１托卡马克上进行了辅助加热、加料、电流驱动的物理实验研究。在改善等离子体约束方面，某些实验取得了较好的结果。在适当的稳定放电条件下，低杂波电流驱动和弹丸注入辅助加料，均能使等离子体能量约束得到一定程度的改善，与相同密度条件下的欧姆加热放电相比，能量约束时间提高了约３０％。在电子回旋共振加热等离子体实验中，等离子体总能量明显增加，但与相同密度条件下的欧姆加热放电相比，能量约束时间减少了约２０％。