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托卡马克

2020-04-08 00:56教育新闻 人已围观

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  托卡马克,是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器。它的名字Tokamak 来源于环形、真空室、磁、线圈。最初是由位于苏联莫斯科库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。托卡马克的中央是一个环形的真空室,外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场,将其中的等离子体加热到很高的温度,以达到核聚变的目的。

  托卡马克(Tokamak)是一环形装置,通过约束电磁波驱动,创造氘、氚实现聚变的环境和超高温,并实现人类对聚变反应的控制。它的名字Tokamak来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnet)、线圈(kotushka)。最初是由位于库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。

  受控热核聚变在常规托卡马克装置上已经实现。但常规托卡马克装置体积庞大、效率低,突破难度大。上世纪末,科学家们把新兴的超导技术用于托卡马克装置,使基础理论研究和系统运行参数得到很大提高。据科学家估计,大选可控热核聚变的演示性的聚变堆将于2025年实现,商用聚变堆将于2040年建成。商用堆建成之前,中国科学家还设计把超导托卡马克装置作为中子源,用于环境保护、科学研究及其它途径。这一设想获得国内外专家较高评价。

  包括磁体(环向场磁体及极向场磁体)、真空室及其抽气系统、供电系统、控制系统(装置控制和等离子体控制)、加热与电流驱动系统(中性束和微波)、喷气及弹丸注入系统、偏滤器及孔阑、诊断和数据采集与处理系统、包层系统、氚系统、辐射防护系统、遥控操作与维修系统等部件(子系统)。虽然强磁场能提高约束性能,但受工程技术和材料限制,环向磁场一般为2~8T;为了获取稳定的核聚变能输出,托卡马克聚变堆最终要采用超导磁体(稳态运行要求),为此要增加杜瓦、冷屏和低温制冷系统。为将等离子体加热至需要的温度,大型装置的总加热功率为几十兆瓦,国际热核实验堆装置的加热功率为73~130MW。

  核聚变(nuclear fusion),又称核融合、融合反应或聚变反应[1]核是指由质量小的原子,主要是指氘或氚,在一定条件下(如超高温和高压),只有在极高的温度和压力下才能让核外电子摆脱原子核的束缚,让两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起,发生原子核互相聚合作用,生成新的质量更重的原子核(如氦),中子虽然质量比较大,但是由于中子不带电,因此也能够在这个碰撞过程中逃离原子核的束缚而释放出来,大量电子和中子的释放所表现出来的就是巨大的能量释放。这是一种核反应的形式。原子核中蕴藏巨大的能量,原子核的变化(从一种原子核变化为另外一种原子核)往往伴随着能量的释放。核聚变是核裂变相反的核反应形式。科学家正在努力研究可控核聚变,核聚变可能成为未来的能量来源。

  核聚变的过程与核裂变相反,是几个原子核聚合成一个原子核的过程。只有较轻的原子核才能发生核聚变,比如氢的同位素氘(dāo)、氚(chuān)等。核聚变也会放出巨大的能量,而且比核裂变放出的能量更大。太阳内部连续进行着氢聚变成氦过程,它的光和热就是由核聚变产生的。

  相比核裂变,核聚变几乎不会带来放射性污染等环境问题,而且其原料可直接取自海水中的氘,来源几乎取之不尽,是理想的能源方式。 人类已经可以实现不受控制的核聚变,如氢弹的爆炸。但是要想能量可被人类有效利用,必须能够合理的控制核聚变的速度和规模,实现持续、平稳的能量输出。科学家正努力研究如何控制核聚变。

  在托卡马克装置中,欧姆线圈的电流变化提供产生、建立和维持等离子体电流所需要的伏秒数(变压器原理);极向场线圈产生的极向磁场控制等离子体截面形状和位置平衡;环向场线圈产生的环向磁场保证等离子体的宏观整体稳定性;环向磁场与等离子体电流产生的极向磁场一起构成磁力线旋转变换的和磁面结构嵌套的磁场位形来约束等离子体。同时,等离子体电流还对自身进行欧姆加热。等离子体的截面形状可以是圆形,也可以与偏滤器(位于真空室内部的边缘区域,通过产生磁分界面将约束区与边缘区隔离开来,具有排热、控制杂质和排除氦灰等功能的特殊部件)位形结合设计成D形。在托卡马克装置上,已可通过大功率中性束注入加热和微波加热使等离子体达到和超过氘一氚有效燃烧所需的温度(10K),最高已达4.4×10K。加大装置尺寸,约束时间大致按尺寸的平方增大。此外,还可通过提高环向磁场、优化约束位形和运行模式来提高

  能量约束时间。实验结果表明,托卡马克装置已基本满足建立核聚变反应堆的要求。

  相比其他方式的受控核聚变,托卡马克拥有不少优势。1968年8月在苏联新西伯利亚召开的第三届等离子体物理和受控核聚变研究国际会议上,阿齐莫维齐宣布在苏联的T-3托卡马克上实现了电子温度1keV,质子温度0.5keV,nτ=10的18次方m-3.s,这是受控核聚变研究的重大突破,在国际上掀起了一股托卡马克的热潮,各国相继建造或改建了一批大型托

  卡马克装置。其中比较著名的有:美国普林斯顿大学由仿星器-C改建成的ST Tokamak,美国橡树岭国家实验室的奥尔马克,法国冯克奈-奥-罗兹研究所的TFR Tokamak,实验室的克利奥(Cleo),的Pulsator Tokamak。

  2006年9月28日,中国耗时8年、耗资2亿元人民币自主设计、自主建造而成的新一代热核聚变装置EAST首次成功完成放电实验,获得电流200千安、时间接近3秒的高温等离子体放电。EAST成为世界上第一个建成并真正运行的全超导非圆截面核聚变实验装置。

  一直在互相保密的情况下开展对核聚变的研究。几千万、几亿摄氏度高温的聚变物质装在什么容器里一直是困扰人们的难题。二十世纪五十年代初期,前苏联科学家提出托卡马克的概念。托卡马克(TOKAMAK)在俄语中是由“环形”、“真空”、“磁”、“线圈”几个词组合而成,这是一种形如面包(多纳)圈的环流器,依靠等离子体电流和环形线圈产生的强磁场,将极高温等离子状态的聚变物质约束在环形容器里,以此来实现聚变反应。

  1954年,第一个托卡马克装置在原苏联库尔恰托夫原子能研究所建成。当人们提出这种磁约束的概念后,磁约束核聚变研究在一些方面的进展顺利,氢弹又迅速试验成功,这曾使不少国家的核科学家一度对受控核聚变抱有过分乐观的态度。但人们很快发现,约束等离子体的磁场,虽然不怕高温,却很不稳定。另外,等离子体在加热过程中能量也不断损失。

  1985年,美国里根总统和前苏联戈尔巴乔夫总统,在一次首脑会议上倡议开展一个核聚变研究的国际合作计划,要求“在核聚变能方面进行最广泛的切实可行的国际合作”。后来戈尔巴乔夫里根和法国总统密特朗又进行了几次高层会晤,支持在国际原子能机构(IAEA)主持下,进行国际热核实验堆(ITER)概念设计和辅助研究开发方面的合作。这是当时也是当前开展核聚变研究的最重大的国际科学和技术合作工程项目。1987年春,IAEA总干事邀请欧共体、日本、美国加拿大、前苏联的代表在维也纳开会,讨论加强核聚变研究的国际合作问题,并达成了协议,四方合作设计建造国际热核实验堆。

  1990年,中国国家科学院等离子所兴建大型超导托卡马克装置,得到俄、美、欧盟等机构、专家大力的支持。特别是俄罗斯科学家,世界聚变研究最具权威的俄罗斯国家研究中心卡多姆采夫教授,成为装置建设的“经常性技术指导”。

  1993年HT-7建成,中国成为世界上俄、法、日(法国的Tore-Supra,俄罗斯的T-15,日本的JT-60U)之后第四个拥有同类大型装置的国家。中国在装置相关的超导、低温制冷、强磁场等研究都登上新的台阶。

  1993年12月9日和10日,美国在TFTR装置上使用氘、氚各50%的混合燃料,使温度达到3亿至4亿摄氏度,两次实验释放的聚变能分别为0.3万千瓦和0.56万千瓦,大约为JET输出功率的2倍和4倍,能量增益因子Q值达0.28。与JET相比,Q值又得到很大提高。

  1997年9月22日,联合欧洲环JET又创造输出功率为1.29万千瓦的世界纪录,能量增益因子Q值达0.60,持续时间2秒。仅过了39天,输出功率又提高到1.61万千瓦,Q值达到0.65。

  1997年12月,日本方面宣布,在JT-60上成功进行了氘-氘反应实验,换算到氘-氚反应,Q值可以达到1.00。后来,Q值又超过了1.25。在JT-60U上,还达到了更高的等效能量增益因子,大于1.3,它也是从氘-氘实验得出的结果外推后算出的。

  2000年,HT-7实验放电时间超过10秒,标志中国在这重大基础理论研究领域中进入世界先进行列。

  2002年1月28日,在中国成都的核工业西南物理研究院与合肥西郊的中国科学院等离体物理研究所,基于超导托卡马克装置HT-7的可控热核聚变研究再获突破,实现了放电脉冲长度大于100倍能量约束时间、电子温度2000万摄氏度的高约束稳态运行,中心密度大于每立方米1.2×1019,运行参数居世界前两位。本轮实验有来自美、日等14个研究机构的18位外籍专家参与。

  2006年,中国新一代“人造太阳”实验装置(EAST)实现了第一次“点火”——激发等离子态与核聚变。很快,它就实现了最高连续1000秒的运行,这在当时是前所未有的成就。

  2012年04月22日,中国新一代“人造太阳”实验装置(EAST)中性束注入系统(NBI)完成了氢离子束功率3兆瓦、脉冲宽度500毫秒的高能量离子束引出实验。本轮实验获得的束能量和功率创下中国国内纪录,并基本达到EAST项目设计目标。这标志着中国自行研制的具有国际先进水平的中性束注入系统基本克服所有重大技术难关。

  只有同时达到密度(10cm)、温度(10K)及能量约束时间(1s)三个条件(或聚变三重积10cm·K·s)时,才能实现氘一氚自持核聚变反应。这三个条件已经在不同的装置上分别达到或超过,但还没有在一个装置上同时达到或超过。JET(见图)和JT-60U装置基本达到能量得失相当条件(Q≈1),JET的氘一氚实验还得到17MW聚变功率输出。

  实验研究还发现多种改善约束的模式,根据这些模式,托卡马克型核聚变反应堆的经济性能还可以进一步提高。基于50多年来在等离子体理论、物理实验研究和工程技术上取得的重大进展,由七方共同参与的超大型国际合作项目国际热核实验堆(ITER)计划已经进入工程建造阶段。

  电影《钢铁侠》中的方舟反应堆与托卡马克极为相似,有可能是根据托卡马克改编的。

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