本文提出了一个聚变反应堆装置的新概念,它由两个轴对称的类似串联磁镜的部分和两个螺旋仿星器U形弯曲段组成,并综合了直管和环形、快过程和慢过程的优点。文中研究了起动、过渡和运行阶段,讨论了D-D反应堆参数和稳定性。射频和高能分量只在起动阶段才需要,在整个过程中只有瞬时的能量消耗。端塞也只须在起动阶段存在,这大大降低了工程技术要求

俞雪华

周玉美

张淳沅

徐民健

柯孚久

汪诗金

沈解伍

蔡诗东

郭世宠

陈允明

陈雁萍

Institute Of Mechanics,Chinese Academy of Sciences

第 卷 第 期 核 聚 变 与 等 离 子 体 物 理年 月一种聚变反应堆装置的新概念’蔡诗东沈解伍陈雁萍徐民健郭世宠俞雪华柯孚久周玉美陈允明 ” 汪诗金 张淳沉等离子体研究会,中国科学院物理研究所,北京本文提出了一个聚变反应堆装置的新概念,它由两个轴对称的类似串联磁镜的部分和 两 个螺旋仿星器 形弯曲段组成,并综合了直管和环形、快过程和慢过程的优点。文中研究了 起动、过渡和运行阶段,讨论了 一 反应堆参数和稳定性。射频和高能分量只在起动阶段才需要,在整个过程中只有瞬时的能量消耗。 一端塞也只须在起动阶段存在,这大大降低了工程技术要求。关键词 反应堆概念,第二稳定区一、引 言根据 目前的发展情况,托卡马克、仿星器和轴对称串联磁镜等准稳态装置,最有可能成为将来的聚变反应堆装置。托卡马克和仿星器是环形几何位形,具有相对简单的封闭磁面,受气泡模不稳定性所限,它们的刀值十分低 《 。 了, 。 和 分别是环的小半径和大半径,是 安全因子。串联磁镜成功地证明了直管装置 中具有静电终端堵塞的磁约束 的 有 效性,但这类装置必须在整个运行过程中维持高能成分,这将耗费大量的能量 最近对聚变装置提出了一些新的设想,试图找到一种办法避开环形装置中的气泡模和扭曲模不稳定性,以便在高刀的第二稳定区运行‘一“ ’。本文根据各种 已有装置的实验结果,综合它们的优点,提出了一个新的聚 变 反 应 堆概念二、装 置 简 述我们提出的反应堆装置 由两个轴对称的类似串联磁镜的部分和两个具有旋转变换 ‘二 的形螺旋仿星器 以下简称 形弯曲段 组成,如图 所示。该装置综合了磁约束和静电约束、磁镜和环形位形的优点,采用了高能粒子和射频加热两种稳定方法,把快、 ‘漫两种过程联合在一起 在起动阶段,串联磁镜的中心室等离子体被加热,其刀值记为凡。 。串联磁镜中的端塞把具有较高 夕。 。的中心室等离子体与 形弯曲段中低刀 记作 口 的等离子体隔开,中国科学院科学基金资助课题。中国科学院力学研究所‘「万示曰衫弯阵葬石一一中心室曲段幼图 跑道型位形当风。 。 时,端塞中的辅助加热 中性注入和射频加热 和磁镜线圈电流迅速撤去,使端塞位势在一个弛豫时间 或毫秒 内消失。这样,中心室高 民。的等 离子体以超声速流出,而使 形弯曲段中低 八 等 离 子 体足够快地进入第二稳定区。在此过程中,不 稳定性还未来得及增长到足以破坏约束的程度。以后,反应堆就可作为高口跑道形仿星器而自持地运行 如果允许存在纵向电流,这就是运行在第二稳定区的高刀托卡马克。由于射频、高能粒子加热和稳定只在起动阶段需要 起动阶段时间,几“ ” 《片“ ,几 是 中性注入的慢化时间, ,“ 是离子一电子碰撞时间,所 以对端塞和稳定的要求比 串联磁镜和 大大降低经过详细计算,我们建议端塞位势放在端塞的最小 位置,晃荡 电子 〔 , 用来产生热垒。和 用来加热等离子体,并增加各种势垒的高度 起动 阶段加在中·心室的中性束和 使得 ,。》。因为 二 ‘“》钓 和上 石几 劝,这样大大放松了对离子泵浦的要求,增加了效率 径向势差和热分量也有助于减少一比 时 电流。三、结 构 和 尺 寸所述装置可以是跑道形的几何位形 见图,它包含两个直的螺线管中心 室 部分,两个 ‘ 的螺旋 形弯曲段和 个轴对称的端塞 夹在螺线管和 形弯曲段中间,只在起动阶段需要。图 是起动阶段装置 四分之一部分的磁场 轴向分布为了得到高的 值和相对小的刀。 。口,希望中心室的体积较大 这里取 犷。。 犷 犷“ 其中 犷。 。 ,犷,分别是 中心室、形弯曲段和端塞的体积,并且要求在起动阶段结束时 民。 、,夕 、,以保证 形弯曲段等离子体处于第一稳定区,而最终等离子体将处于第二稳定区。设 形弯曲段的纵横 比,中心室和 形弯曲段的镜比。 ,是,端塞镜比 因此装置全长电闰云总 〔。〕忿 〕, 、,,之 吕戈万 一石一 王 ”·”九‘·图 起动阶段四分之一装置的磁场轴向分布镜比 二一刀 凡, 二 一刀 二,二 二,在二 和 与图 中月,两点相对应这里已设。。二,磁镜半径 应由中性束的贯穿深度确定。例如当 时,总 、 具有这种尺寸的反应堆是 十 分 紧凑的,其磁 场 强 度 如 图 所 示,取。, 。 , , 二,。四、起 始 阶 段飞 位形、加热和功率平衡等参数的计算开始起动时,得到一个 低 刀等离 子体,其 参 数 为 浏 、。一 只 ‘一“ , 此】二 乳《‘“ 一“ 见注, ,龙。中心室 的热核 辱离一子体借助中性注八 中 性 束 粒子能量 。 、 一 和 获得 它们在 。‘内把 刀。 。升高到约,也 就 是 , ,。二 ,。二‘“一“ , 。 二, 。 。 二、 。 在中心室加热过程中,端塞用来把高 几。的中心室等离 子体与低 风 的 形弯曲段等离 子体隔开。在端塞最小 处 尸、劝,垂直注入能 量。、二 呱 的中性束产生端塞正势垒。尺 用来 私。热端塞 尸 处 电子提高端塞 正 势 垒,并在 和 夕 处 图 形成晃荡电子 以便在 乙 夕 处造成热垒。同时,可在中心 室 加 上以增加等离子休稳定性 」,减少粒子从 中心室流向端塞。下面 自洽地 个卜算起始阶段结束盯的各种物理参数,静电位势和密度分布如 图,图 所不。,办 卫 对一 甲心系 十一一 一 端塞‘卜一 形弯曲段图 静电位势分布叭 二 中。 , 动 二,中。叭, 二 少 、, 二令 巾。见图,得到单位图 慢模运行起动阶段结束时密度的轴向分布—总密度 一不同种类电于的密度。坦一, , , 了 火 一 ”。,一 , ”。 , 生 一 , ”一 , ” , 大 通 过一, ” ,破恤 , ,, 。 , ,一处的通行离子密度〔‘ ’ 本文密 度 均 以一 , 为、‘曰八」古声、。 , , , 。 一会念‘’“ 一·“ “‘ ,平衡时 处的离子总密度” 少。 。二 ‘咭,这意味着二 。 ,, 。。使中心室加热过程加快有很重要的意义 因为中心室的离子一电子能量等分时间大于, ,若中心室加热时间短于,有。》。 ,这就会大大减少实际 的 从 、值。因 而,只需要低能。镇 和木强的离子泵浦就可到达 二,二 。, 、 , 以及在 和 , 处形成所注 为了保证 尹。成,我们希望 此 魂 只要从一开始就把端塞位势逐渐建立起来,就能达到以上要求、户夕产产一八行廿‘、‘、、产尹口睁了、古矛、且产,了‘八,弓目上矛才、了百、口口 ,产,︺口川工,工、﹄了要求的热垒高度 处的热 电子密度。 , , ”。 一中 。。 ‘“ 。要求该处的晃荡电子密度 由适当设计的 产生。, 一,二 ‘,由中性化条件。 一中 、丫。。 。。 中产 ,得中, ,以 为单位 取 , 。 二 只 ‘一 , 、、二,由此, , , , 一少‘ 。 二 ‘么,所以, 三。 , 。。 , , 、 二。在 尸 处,取端塞位势汽 “‘。 。。 ,以 为单位,热电子温度。 ,以 为单位。它们决定了端塞处热 电子密度·一。会’‘“二 孚嚣一会一‘·‘ “ ”’‘ ·、了了、产才任比口,上‘走、少‘晃荡电子对 尸 处的总 电子密度也有贡献。从粒子通量守恒,得到端塞处晃荡电子密度” “。 。二 ’。所以,尸处总 电子密度“ ” 坦。中心室和 形弯曲段之间的位势差可用 等 〔 ’建议的方法算出、碑、尹八匕叮口,,了、‘、叭、止一。一 全争一‘·令俘嚣门一 。,联合 式和 式,得中。 之,以 为单位 整个反应堆的全部静 电位势应近似为零,即 拿, 、 , , ,了吸 办 一 匕一 匕 艺儿。一 乙 卜 儿。甲。巴。一其中设端塞位势和两个热垒各占端塞室的三分之一。由此。。二 一熟 毕二 只 一 、、儿 乙巾。以 为单位。因此,该装置可称为“平衡模”‘日’。晃荡电子的能量可由下式算出〔 ’。。。。 一一百奋少晶。 二其中 是捕获在热垒中的电子的最小能量,而尹必 一。 。以 为 单 位计算所得的其它能量和功率的参数列于表、表 ‘ 慢模的参数, 。 心一率一功一的上︺积一︸面一位一单一,一一率一功一一数一参获得。从晃荡电子得到的功率损失给中心室通行电子的功率损失给 形弯曲段通行电子的功率中性束往入表面面积 为 二 吞中性束注人 了用于稳定,并使离子不进人损失锥产生晃荡电子回旋辐射晃荡电子和端塞捕获的热电子之问的功率交换中性束泵浦 口。 。远小于中性束注入表面面积为 二 。塞一中心室表面面积为 。毛月性二凌‘‘生。任八曰︸口 二“口 。 。氖原子应忽忿洲 氖原子 ’稳定性与 和 串联磁镜相似,本装置 中也存在坏曲率区 许多作者从理论 〔‘”’和实验 〔, “ ’上对稳定性进行了充分的研究。我们预期端塞 区域的热分量和适当选择的 〔”’将 为 起动阶段的等离子体提供必要的稳定性。 ‘’“ ’和 【“ ’等关于高能粒子在,串联磁镜和托卡马克中的稳定作用的理论研究与‘”’, 及 〔“ ’装置上最近 的 实 验结果是非常令人鼓舞的如果端塞区域中晃荡电子的能量为,则 百 值在一极限 值 〔‘瑞 以 内,盘状分布的热 电子分布使压力梯度驱动的热电子模也是稳定的 〔‘“, ‘“ ’。 若使晃荡 电 子 的轴向延伸大于 即‘ ,则晃荡电子在好曲率区的权重大得多,从而 能 够 稳定坏曲率驱动的槽形模 〔‘”’。此外,可以在中心室或 形弯曲段应用适当的 以提供射频稳定性 ’ ’五、快 速 过 渡静 电势垒和磁势垒的中断只要 队。一,我们就中断磁镜线圈电流、中性束注入及,以便撤去磁镜磁场、端塞电势和热垒。仔细设计回路,适当选择元件,镜场可以在毫秒时间内撤去,而只有很小的垂直方向的磁场振荡。我们现在已具有迅速撤去磁场的技术条件,爆炸法就是 其中之一采用一维模型,假定绝热过程和通量守恒,从数值计算结果证明,当磁场撤去时间 大 于 邵时,端塞中的磁场将无振荡地减少到中心室磁场值平行激波加热由于端塞能够在毫秒时间内迅速撤去, 一可以设想这将激发一个平行激波快速扫过 形弯曲段,在 不稳定性还来不及破坏约束时就将 形弯曲段中的等离子体加热上去。端 塞撤去后产生的压力 ’断名设 刀。 ,激 波 速 度。如 果 采 用激波模型,最沃瞬时局域 刀值可达到。预期 刀值最终可,因为电子热 速度比离子和电子流体之 间的相对速度大得多,不可能激发任何种类的双流不稳定性。六、运行阶段 —高乃仿星器快速过渡阶段结束后,得到一个处于跑道型仿星器位形中的高 刀等离子体,这 与 盯及 〔么 ’所建议的终态等离子体相同 如果允许纵向电流存在,这就是 高 刀托 卡 马 克等离子体,与 等 汇“ 〕所建议的相似,这些等离子体将 自持地运行在第二稳定区。七、讨 论我们根据现有的实验结果和理论工作,提出了一个聚变反应堆的新概念,并建议把磁约束和静 电约束,环形和磁镜位形的优点结合起来,利用准静态和快过程两种方式以获得在第二稳定区运行的仿星器或托卡马克高 刀等离子体。射频和高能粒子稳定作用只在起动阶段才需要,端塞也只是 起动 阶段需要。因为起动阶段周期二 比中性束慢化时间长得多,比 电 子离子能量等分时间短得多,因此。》。 。 ,这就使 值大大减小 因为中。《。所 以只要求低能 ‘龙 和不强的离子泵浦,完全避免了串联磁镜反应堆 中所用的效率极低的《。二。。《 高能离子泵浦。由于旋转变换 ‘,形弯曲段中环效应引起 的 刀电荷分离消除了。起动阶段周 期短不仅能节省巨大的加热能量以获得较高的 反 应 堆 值,而且大大降低了对端塞的要求及工程难度,不再需要超导高磁场磁镜线圈,并且迅速撤除镜场的技术 已经成熟。依靠,高能粒子和使晃荡电子在好曲率区停留较长的时间可 以保证等离子体的稳定性,如有必 要还可在每个中心室和端塞之间加上八极场 纵向激波加热能把 刀 在几毫秒时间 内升高到 第二稳定区,而不会激起不稳定性,所需要的射频和中性束功率都是现有技术可以达到的。如果中心室等离子体能够在百分之几秒的时间内被加热,那 么离子泵浦可以免去 但中心室的中性束注入功率需要较高,此时来自中心室的通行离子和热垒处的总密度降低,因此热垒处电子的平均能量和 回旋辐射损失减少。本文所有位势、密度、温度以及功率平衡都是 自洽地求得的。为了完成这个令人鼓舞的反应堆新概念,还应做进一步的计算和实验,特别是必须仔细研究高 刀环形平衡、稳定性不。输运,这将在以后的工作 中做出。参 考 文 献, , 一 ,辞, , 一 ,, , , 二 七 ,, ,蔡诗东,公, , ,习, ,刀 石’。 ” , ,。 , , 心口 示 , ,, , 亡 , ,左, 。 , ,, ,,,勺工,卫,上,曰通一勺己‘﹄︸胜, , ” , ,, 一 ,,, “ ” 梦, ,夕, , ,, , 。 ‘, , , ,川,人夕, ,李兴中, 。 ,,, , 夕。 , ,, ,扭,,夕, ,, 一 , 了,, 月气古且,‘心马刁咨几占卜‘,〕〔 〕刘亚东,全国核聚变与等离子体物理第二届年会,合肥,年, , , , , ,口, ,编辑部 年 月 日收稿, , ,传,一 一一 , 一一,一,了

一种聚变反应堆装置的新概念

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