1、磁約束受控熱核聚變研究中的物理問題核工業西南物理研究院 1概要一、引言二、高溫等離子體的約束和輸運 三、磁約束等離子體中的自組織現象四、磁場重聯和等離子體流 五、ITER 簡介六、結束語2一、引言受控核聚變在現代物理學中的地位 ：2003年諾貝爾物理學獎獲得者Vitaly L. Ginzburg在他的獲獎演說中列出了二十一世紀初物理學的三十個重要領域（“physical minimum” at the beginning of the XXI Century）。出人意料的是，他沒有把讓他走上領獎臺的研究領域-超導和超流，而是把受控核聚變(controlled nuclear fusion)列于

2、其首1。在對此作解釋時，他提到了1978年諾貝爾物理學獎獲得者P. L. Kapiza的獲獎演說的題目是：等離子體和受控熱核反應。 3受控核聚變：是讓輕原子核（主要是氫及其同位素氘和氚）聚合所產生的核能以可控的方式釋放出來并有可觀的能量增益的核反應 D+DT(1.01 Mev)+P(3.03 Mev) D+DHe3(0.82 Mev)+n(2.45 Mev) D+THe4(3.52 Mev)+n(14.06 Mev)氫彈爆炸是核聚變反應，但它是瞬間的、不可控的。 太陽上的核聚變反應是持續的、不可控的。受控核聚變能源：資源豐富（足夠用上幾百億年）、潔凈（無污染）、安全（核事故概率幾乎為零）且經濟

3、（消費者可以承受） 4受控熱核聚變是與將來的經濟發展、社會進步、人類文明密切相關的有廣闊應用前景的重大研究領域。受控熱核聚變研究中有極具科學探索性和對人類智慧的挑戰性的基礎科學問題。受控熱核聚變研究的基本思想: 氫（氘和氚）等離子體(電子和原子核混合而成的完全電離氣體)高溫等離子體核聚變磁約束聚變(托卡馬克)和慣性約束聚(激光打靶和Z箍縮)受控熱核聚變研究中，無論磁約束還是慣性約束或Z箍縮中，都存在很多有普遍科學意義的問題。我們將簡要介紹磁約束聚變研究中的幾個物理問題。5二、高溫等離子體的約束和輸運受控核聚變要解決的首要問題：將高溫、高密等離子體約束在有限的范圍內達到足夠長的時間在單位時間內發

4、生足夠多的核聚變反應帶電粒子在磁場中的運動：沿磁力線自由運動+在垂直于磁場方向的回旋運動 環形磁約束系統：托卡馬克（a）和仿星器(b) 6環狀位形中捕獲粒子的香蕉軌道 經典擴散、新經典擴散和反常輸運： ，實驗發現，離子和電子橫越磁力線的熱擴散系數分別約為新經典理論預言值的十倍到一百倍 漂移運動和微觀不穩定性：ITG,ETG,TEM.集體效應主導的輸運 7有待解決的基本問題:1,離子能量的反常輸運:湍流的發展過程、飽和機制、飽和幅值及其與等離子體參數的關系等，仍然不能從理論上準確計算離子的熱傳導系數;2,電子能量反常輸運:引起反常輸運的微觀不穩定性的驅動機制;湍流的發展過程、飽和機制、飽和幅值及

5、其與等離子體參數的關系等;這將是今后一段時間各國的研究人員從理論、計算機數值模擬和實驗等方面進行深入研究的一個課題。8三、磁約束等離子體中的自組織現象磁約束等離子體是一個非平衡態多體系統 磁約束等離子體是一個自由度十分巨大、具有豐富的集體運動模式的復雜系統磁約束等離子體中存在豐富的非線性的力學和電磁效應磁約束等離子體中觀察到眾多自組織物理現象,這些現象都可看作是非線性力學系統中的自組織現象在磁約束等離子體中的具體表現，具有很重要的普遍意義，同時又很典型，內容很豐富有豐富的實驗數據,但通過對資料和數據的分析去探索其背后的深層次的物理機理的工作，亟待發展 91，電子溫度分布的剖面不變性： 10模型

6、：電子溫度梯度(ETG)驅動的湍流支配電子能量的反常輸運； 溫度分布陡（溫度梯度大）湍流發展輸運系數增加溫度分布變平溫度梯度低于一定的閾值湍流就消失輸運系數就降到新經典理論預言的值溫度分布變陡。自洽平衡的結果，就使得電子溫度梯度保持在閾值附近而呈現某種不變性。雖然線性理論求得的ETG模的不穩定閾值與實驗結果很接近，但理論計算和數值模擬得到的ETG模引起的輸運系數都遠小于實驗觀測值。因此，理論仍然不能定量解釋并預見電子溫度分布的剖面不變性這種自組織現象。 112，輸運壁壘(Transport Barrier)： 等離子體能量約束的低（L-）模：等離子體能量約束的高（H）模： 在一定的條件下，當非

7、歐姆加熱 功率超過一定的閾值時，等離子 體會發生向高（H）約束模式的 突變。H模的一個特點就是等離 子體的密度和溫度在等離子體 邊緣部分會很快變陡而形成臺基狀的邊緣輸運壁壘 12由L模向H模轉變的這種突變很像非線性力學中的分叉現象,它是由等離子體自發產生的，是一種自組織現象。但是，其具體的轉變條件，機制、控制參量及其對等離子體參數的依賴關系等，目前仍然缺乏定量的理論描述。 等離子體的離子（電子）溫度分布會在空間的某個位置附近變得很陡而形成內部輸運壁壘 13內部輸運壘的產生也不是由外部控制的，連其產生的位置也是不可預見的 14實驗似乎表明，對磁約束等離子體系統，存在多個準平衡態，在一定的條件下，

8、系統可以在各個態之間過渡。找到各種可能的準平衡態并探索系統在其間轉換的條件或幾率，是今后一段時間該領域的一個重要課題。153,湍流自組織過程產生的帶狀流和束流（zonal flows or/and streamers）也是當前聚變科學界注意的一個焦點16四、磁場重聯和等離子體流磁場重聯是在太陽和宇宙空間普遍存在的自然現象。它指的是在一定的條件下，原本互相平行的磁力線會相交并重聯。磁約束聚變等離子體中存在極其 豐富的磁場重聯現象。其中比 較典型的是由撕裂模的非線性 發展引起磁場重聯而產生的 磁島結構。17磁約束聚變等離子體是研究磁場重聯的好環境問題：撕裂模引起的磁島結構使等離子體內部區域的磁力線

9、與外部區域的磁力線（磁場）重聯。這就使重聯區域的溫度分布變平（沿磁力線溫度近似為常數）而等離子體約束應變壞。但是，實驗發現，在一定的條件下，在容易形成磁島的區域往往容易形成內部輸運壁壘而使等離子體約束變好，而且，輸運壘往往與磁島相伴出現。這種現象在實驗中經常觀測到，但至今沒有完整的理論解釋。 18五、ITER (International Thermonuclear Experiment Reactor) 簡介Divertor54 cassettesCentral SolenoidNb3Sn, 6 modulesToroidal Field CoilNb3Sn, 18, wedgedPoloi

10、dal Field CoilNb-Ti, 6Blanket Module440 modulesVacuum Vessel9 sectorsCryostat24 m high x 28 m dia.Port Plug (IC Heating)6 heating3 test blankets2 limiters/RHrem. diagnosticsTorus Cryopump8 unitsFusion Power: 500 MWPlasma Volume: 840 m3Nominal Plasma Current: 15 MATypical Temperature: 20 keVTypical D

11、ensity: 1020 m-31920Chinas participation in the ITER projectChina announced to join the ITER project negotiation with commitments at the end of 2002.The six parties (CN, EU,KO, JP, RU, US) agreed to select Cadarachi as the ITER site in Oct. 2005.The negotiation for International Agreement was finish

12、ed in March 2006, .The Ministers of 6+IN signed the ITER International Agreement in May 2006.21222324HL-2A is a divertor tokamak constructed at SWIP new site based on original ASDEX main components(magnet coils and vacuum vessel) and based on the experiences from HL-1/1M. 25EAST26六、結束語受控核聚變與等離子體物理緊密相關。而后者是物理學的一個新分支，理論體系和實驗手段都在快速發展。在美國，等離子體物理已經被約50所大學列入物理系本科學生的課程，不少比較好的大學，都有這方面的研究生專業。在日本，歐洲，從事這方面研究的大學也