磁约束受控热核聚变研究中的物理问题-董家齐.pdfVIP

磁约束受控热核聚变研究中的 物理问题 董家齐 核工业西南物理研究院 浙江大学聚变理论与模拟中心 概要 一、引言 二、高温等离子体的约束和输运 三、磁约束等离子体中的自组织现象 四、磁场重联和等离子体流 五、ITER 简介 六、结束语 一、引言 • 受控核聚变在现代物理学中的地位：2003年诺 贝尔物理学奖获得者Vitaly L. Ginzburg在他的 获奖演说中列出了二十一世纪初物理学的三十个 重要领域（“physical minimum” at the beginning of the XXI Century ）。出人意料的 是，他没有把让他走上领奖台的研究领域-超导 和超流，而是把受控核聚变(controlled nuclear fusion)列于其首[1]。在对此作解释时，他提到了 1978年诺贝尔物理学奖获得者P. L. Kapiza 的获 奖演说的题目是：等离子体和受控热核反应。 • 受控核聚变：是让轻原子核（主要是氢及其同 位素氘和氚）聚合所产生的核能以可控的方式 释放出来并有可观的能量增益的核反应 D+D→T(1.01 Mev)+P(3.03 Mev) D+D→He3 (0.82 Mev)+n(2.45 Mev) 4 D+T→He (3.52 Mev)+n(14.06 Mev) • 氢弹爆炸是核聚变反应，但它是瞬间的、不可 控的。 • 太阳上的核聚变反应是持续的、不可控的。 • 受控核聚变能源：资源丰富（足够用上几百亿 年）、洁净（无污染）、安全（核事故概率几 乎为零）且经济（消费者可以承受） • 受控热核聚变是与将来的经济发展、社会进步、人类 文明密切相关的有广阔应用前景的重大研究领域。 • 受控热核聚变研究中有极具科学探索性和对人类智慧 的挑战性的基础科学问题。 • 受控热核聚变研究的基本思想: 氢（氘和氚）→等离子体(电子和原子核混合而成的 完全电离气体)→高温等离子体→核聚变 • 磁约束聚变(托卡马克)和惯性约束聚(激光打靶和Z箍缩) • 受控热核聚变研究中，无论磁约束还是惯性约束或Z箍 缩中，都存在很多有普遍科学意义的问题。我们将简 要介绍磁约束聚变研究中的几个物理问题。 二、高温等离子体的约束和输运 • 受控核聚变要解决的首要问题：将高温、高密等离子 体约束在有限的范围内达到足够长的时间→在单位时 间内发生足够多的核聚变反应 • 带电粒子在磁场中的运动：沿磁力线自由运动+在垂直 于磁场方向的回旋运动 ρ c 2Tm / qB • 环形磁约束系统：托卡马克（a）和仿星器(b) • 环状位形中捕获粒子的香蕉轨道 • 经典扩散、新经典扩散和反常输运： D ∝νρ2 2 D ∝r Δ( ν) ， • 实验发现，离子和电子横越磁力线的热扩散系 数分别约为新经典理论预言值的十倍到一百倍 • 漂移运动和微观不稳定性：ITG,ETG,TEM…. • 集体效应主导的输运 • 有待解决的基本问题: 1,离子能量的反常输运:湍流的发展过程、饱和 机制、饱和幅值及其与等离子体参数的关系 等，仍然不能从理论上准确计算离子的热传导 系数; 2,电子能量反常输运:引起反常输运的微观不稳 定性的驱动机制;湍流的发展过程、饱和机 制、饱和幅值及其与等离子体参数的关系等; • 这将是今后一段时间各国的研究人员从理论、 计算机数值模拟和实验等方面进行深入研究的 一个课题。 三、磁约束等离子体中的自组织现象 • 磁约束等离子体是一个非平衡态多体系统 • 磁约