j-text等離子體電子密度診斷系統(tǒng)的建立

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1、華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文J-TEXT等離子體電子密度診斷系統(tǒng)的建立姓名：高麗申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：博士專業(yè)：脈沖功率與等離子體指導(dǎo)教師：胡希偉;莊革20090526粒子的能量足以補(bǔ)償?shù)入x子體的能量損失以維持持續(xù)的聚變反應(yīng)，而無需外部輔助加熱，即可以實(shí)現(xiàn)等離子體的“自持燃燒”，此時(shí)，我們說此時(shí)達(dá)到了熱核聚變點(diǎn)火條件，實(shí)現(xiàn)“自持燃燒”所必需的條件可表述為：.nτ>12（1-5）TE??σvεα式（1-4）中，n表示反應(yīng)粒子的密度，τ表示能量約束時(shí)間，ε表示α粒子的能Eα量，式（1-4）右側(cè)是溫度的函數(shù)，它大致在T=30keV時(shí)有最小值，T=30keV時(shí)，點(diǎn)火條件可

2、表述為：nm?τ1.51020（1-6）>×s3E式（1-6）通常被稱為L(zhǎng)awson判據(jù)，Lawson在聚變研究早期就意識(shí)到了nτ對(duì)聚E變反應(yīng)堆來說是一個(gè)非常重要的參數(shù)，然而，在他的計(jì)算里，忽略了反應(yīng)后產(chǎn)物α粒子對(duì)DT等離子體的加熱效應(yīng)，而認(rèn)為等離子體是依靠外部源來加熱。由于能量約束時(shí)間τ往往與等離子體溫度有關(guān)，因此，更為普遍的是用三乘積nτT來表征點(diǎn)火條EE件。將συ1.11024T2m3s1=×??（此時(shí)，T取10~20keV，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，計(jì)算的聚變反應(yīng)的反應(yīng)率都處在10%以內(nèi)），ε=3.5MeV代入式（1-4），則DT反應(yīng)的點(diǎn)火α條件可表述

3、為：nT>×mkeVsτ321（1-7）10?3E以上計(jì)算沒有考慮物理量的空間分布，也沒有考慮許多重要的物理過程。對(duì)氘氚聚變反應(yīng)來說，基本上歸結(jié)為兩方面的要求：第一，要求將氘氚等離子體的溫度加熱到10KeV（108K）以上；第二，要求等離子體的粒子密度與能量約束時(shí)間的乘積大于（2~4）×1014cm-3.s以上。1.2磁約束核聚變與托卡馬克1.2.1磁約束核聚變要實(shí)現(xiàn)受控核聚變就要求將具有一定溫度和密度的反應(yīng)粒子約束在反應(yīng)器中，由于處在聚變高溫狀態(tài)下粒子為等離子體，因此受控?zé)岷司圩冎械幕締栴}之一就是高3溫等離子體約束問題。聚變反應(yīng)按約束方法可劃分為兩

4、種：磁約束聚變（MCF，MagneticConfinementFusion）和慣性約束聚變（ICF，inertialConfinementFusion）。慣性約束聚變始于60年代的美、法、俄，它是使用激光聚爆產(chǎn)生高密度等離子體[5-6]。40多年來ICF取得了很大的成就，但目前仍處于科學(xué)可行性研究階段。由于帶電粒子在磁場(chǎng)中會(huì)受到洛倫茲力而繞磁力線作回旋運(yùn)動(dòng)，這樣磁場(chǎng)就可以起到約束粒子的作用，利用這一原理來實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩兎Q為磁約束聚變。磁約束核聚變的關(guān)鍵問題之一是研究特殊形式的磁場(chǎng)位形，比如，托卡馬克。磁場(chǎng)位形[7-8]指的是由外加磁場(chǎng)及等離子體內(nèi)部電

5、流產(chǎn)生的磁場(chǎng)共同組成的一種磁場(chǎng)形態(tài)。簡(jiǎn)單的環(huán)向磁場(chǎng)不可能實(shí)現(xiàn)對(duì)帶電粒子的有效約束。如果引進(jìn)一個(gè)極向或稱角向磁場(chǎng)，使合成磁場(chǎng)為環(huán)繞環(huán)軸的螺旋形。這時(shí)磁力線存在旋轉(zhuǎn)變換（rotationtransform）。也就是說，當(dāng)磁力線主要沿環(huán)向磁場(chǎng)方向前進(jìn)時(shí)，它同時(shí)沿極向轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣，經(jīng)無限多次繞大環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，一根磁力線將形成一個(gè)環(huán)形磁面，這種磁面被稱為無理磁面，托卡馬克磁場(chǎng)位形中絕大多數(shù)磁面均是無理磁面。在這種磁場(chǎng)形態(tài)下，帶電粒子將在閉合的軌道上運(yùn)動(dòng)，而極化漂移引起的電場(chǎng)將被沿磁力線流動(dòng)的電流所補(bǔ)償，僅產(chǎn)生較小的次級(jí)效應(yīng)。1.2托卡馬克裝置研究概述由于具有優(yōu)良的等離

6、子體約束性能，到目前為止，托卡馬克被認(rèn)為是最有前途的受控?zé)岷司圩冄b置。在最近40年的托卡馬克磁約束聚變研究期間，聚變?nèi)胤e已從六十年代的1015keV·s·m-3增至1.5×1021keV·s·m-3，這已經(jīng)非常接近聚變堆指標(biāo)2×1021keV·s·m-3。規(guī)模最大和功率最強(qiáng)的裝置JET和JT-60U分別在1992年和1996年達(dá)到了相當(dāng)于能量得失平衡條件的階段，即輸入功率和聚變輸出功率相當(dāng)，在JT-60U上達(dá)到的最高等離子體溫度為45keV。2006年11月21日，ITER（InternationalThermonuclearExperimental

7、Reactor國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆）的6個(gè)成員政府（歐、美、中、俄、日、韓，印度隨后加入）簽署了合作建造ITER的協(xié)議。ITER[9-12]是一個(gè)托卡馬克型聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆，與未來真正發(fā)電的反應(yīng)堆具有同樣的參數(shù)，具有試驗(yàn)核包層，可以進(jìn)行長(zhǎng)脈沖（1000s）放電運(yùn)行，但不向電網(wǎng)供電，還不是真正意義上的商用實(shí)驗(yàn)堆。ITER將在自持氘氚燃燒條件下4運(yùn)行，即主要靠α粒子自加熱維持氘氚燃燒。我國(guó)的受控聚變研究始于上世紀(jì)60年代，1965年我國(guó)成立了第一個(gè)專業(yè)從事聚變等離子體研究的機(jī)構(gòu)——核工業(yè)部585所（現(xiàn)核工業(yè)西南物理研究院，簡(jiǎn)稱‘核西物院’）。核西物院在80年代

8、以前開展了大量的聚變裝置及其實(shí)驗(yàn)研究，積累了磁約束聚變等離子體裝置工程和物理實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)。中科院