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磁约束聚变装置原理
2012-10-26| 作者: | 点击:次 |

    目前比较有希望的两种实现聚变的方法分别是磁约束核聚变和惯性约束核聚变。惯性约束聚变的原理很是简单,就是通过激光产生的巨大的压强,使核燃料体积在极短的时间内变小,密度变大,原子核发生聚变反应,释放出能量。而磁约束核聚变则是利用磁场来约束温度极高的等离子体的核燃料,以使其反应。

    我们在燃烧煤,石油,天然气的时候会有个容器来保温,让燃料在一定的温度下反应,释放出能量。但是在聚变反应中,为了能让原子核越过势垒相互之间发生碰撞,我们就要给原子核相当高的动能。一种方法就是我们可以用粒子加速器来提高原子核速度,让其碰撞。实验证实,这种方法可以发生聚变反应,但是反应释放出的能量远小于加速原子核所消耗的能量,也就是所谓的得不偿失。还有一种方法就是提高核燃料的温度,物质温度越高,意味着其微观粒子的无规则速度越大。我们需要把燃料加热到1亿度以上,这样原子核才有足够大的动能相互碰撞,才可能发生聚变反应。但是在1亿度的条件下,任何固态物质都会在极短的时间内汽化,关键问题就是如何找一个这样的“炉子”,能承受如此高的温度?

    找一个合适的“炉子”是上个世纪五六十年代的科学家们思考的问题。 大体的思路是这样的,1亿度的物质处于等离子体态,也就是物质的原子核和核外电子是分离的,电子是自由的,不再受某一特定的原子核的束缚。也就是等离子体中的粒子都是自由的,带电粒子。于是科学家就想到了磁场,因为带电粒子在磁场中会绕磁力线做回旋运动,可以利用通过在容器内建立磁场来约束等离子体,使其不与容器壁接触。这样可以使核燃料持续燃烧一段时间。

    最开始选用的磁场就是最简单的螺线管,可以将核燃料约束一段时间,但是螺线管两端是开口的,核燃料可以从两端逃出容器或者与容器壁相接触,这样会很快地将容器壁烧蚀,影响约束效果。

  

常规的螺线管产生的磁场

    为了解决这个问题,有些人想到了将螺线管弯曲,将两端连接起来,构成闭合螺线管,这样就解决了两端的逃逸问题。

 

闭合螺线管

    但是等离子体态的核燃料在这样的环形磁场中还是无法很好的约束,还是会碰到容器壁上。由于等离子体态的核燃料完全电离,导电性能非常好,所以人们就想如果等离子体在环向上有一个电流,电流又会产生一个沿闭合螺线管绕线方向的磁场,这时或许就会约束的更好。这一点首先是由前苏联人想到的。

    如何让等离子体产生环向电流呢,原理也很简单,就是把闭合螺线管和变压器结合起来,将闭合螺线管整体当作变压器的副线圈,这样当变压器的主线圈中的电流变化时,在副线圈已经电离的等离子体中就会产生环向电流。而且,由于等离子体还有电阻,当产生环向电流的时候等离子体本身还可以产生焦耳热,这样还可以加热等离子体。这样,就构成了基本的托卡马克结构。托卡马克的发明是聚变研究领域的一大进步,为当时的研究指明了方向。

 

经过演化后的托卡马克基本机构

    在闭合螺线管内,核燃料形状为轮胎型,如图所示的浅红色位置即为等离子体态的核燃料。在只有环向场的条件下(上面提到的闭合螺线管),上两个极向场线圈调节其受力,使其维持平衡。此外,变压器中间的铁芯的作用是让两个线圈更好的磁耦合,但是由于“轮胎”中心空间有限,而且当磁通足够强的时候有没有铁芯差别已经不大,所以现在大部分托卡马克已经不要铁芯了,但是欧姆线圈仍然保留,用来加热等离子体和驱动等离子体电流。后来圆形的轮胎截面又演化成的D行或豆形,发现在这些条件下等离子体的约束效果更好。

 
 

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