[科普中国]-磁约束系统

磁约束原理

磁场是大家都很熟悉的，在任何磁铁的周围都存在着磁场，一根通电的导线在其周围也有磁场存在。对于受控核聚变的研究来说，最感兴趣的是电流的磁场，因为电流的流向、强度、通断都比较容易控制，因而能得到形状、强度、分布等都比较理想的磁场，这对于有效地约束高温等离子体具有决定性的意义。

电流的流向与磁场的形状、方向有着简单而明确的关系。沿着直导线流过的电流，其磁场是环形的，沿着螺旋形导线流过的电流，则其磁力线是直线的。它们之间的关系可按右手法则确定，如图1所示。

电流在磁场中流过时，产生一定的作用力。电动机即是根据这个原理制成的。在核聚变研究中将利用这个作用力来约束高温等离子体。电流、磁场、作用力三者之间的关系可按左手法则确定，如图2所示。

高温等离子体就是由高速运动的荷电粒子(离子、电子)所构成，尤如电流一样，把它们放置在磁场之中，这些粒子的运动方向就会由于受到磁场的作用力而发生变化，从而为约束提供了具体的可能性。运动的带电粒子在磁场中受力的大小，除与磁场强度、粒子电荷的大小有关外，还与粒子运动的方向有关。只有当粒子运动方向与磁场相垂直时，磁场才对它施加最大可能的作用力。如粒子沿磁场方向运动，则作用力为零。如粒子运动方向与磁场有一定夹角，则作用力决定于垂直于磁场的速度分量。这样，带电粒子在磁场中运动时，就受到磁场的作用力而约束。磁场越强，或者粒子的电荷越大，则受到的约束越强。另一方面，如果粒子的质量越大、速度越快，则该粒子具有的反约束能力就越大。如果磁场能把所有的燃料粒子都约束住，则该磁场就能成功地起到任何容器都起不到的作用—约束高温等离子体．和没有磁场的情况相比，粒子再也不能自由地向四面八方运动，而是沿着一螺旋形的轨道运动。当然，由于等离子体内荷电粒子的电荷不同(有正有负，有多有少)、质量不同、速度不同，各个粒子的轨道是不同的，粒子之间不可避免地发生碰撞，并可能引起粒子的损失。这种损失叫作“经典扩散”。经典扩散是一种无法避免的损失过程，但是在核聚变中，这种损失并不严重。

当带电粒子受磁场约束，沿螺旋线运动时，带电粒子本身又要产生自己的磁场，而且这个磁场的方向总是和外磁场方向相反，如图3所示。带电粒子在方向向下的匀强磁场B0中以速度V向里运动，这时粒子受到一个向左的磁场力F，使粒子按逆时针方向旋转向上运动。此时，由带电粒子构成的螺旋形电流产生它自己的磁场B'，其方向向上，因而削弱B0的强度。这就是说，被约束的粒子将用自己的磁场来削弱对它的约束。显然，被约束的粒子越多，它们的速度越快，则B0被削弱得越厉害．1

磁约束类型由前述可知，在强磁场的约束下，一定密度的等离子体将被限制在某一特定的空间区域内，每个粒子都将沿着一根螺旋形的轨道绕着磁力线旋进。只要这些螺旋形轨道充分地长，那么带电粒子就可以被约束足够长的时间，对氘-氚反应来说，约束时间0.01秒至1秒即可，则自持热核反应就能够得以实现。但是，原子核粒子的速度极高，达每秒几千公里，即以V=1000公里/秒计算，约束0.01秒时间，需要的磁场长度也要10公里长。如要约束1秒钟，则磁场长度要有一千公里。因此，采用直管型磁场实际上是不可能的。为了克服粒子从终端逃走所带来的损失，人们想了很多办法，其中最有效的不外乎这么两大类：一种是在直管的终端加上某种“塞子”，用以把粒子堵住，或者说在这里设置某种“镜子”把粒子反剿回去，另一类是把直管弯曲起来委成环管，如图4所示。前者称为“开端约束”，而后者称为“封阔型约束”．笼统地讲，封闭型约束系统多数是环形的，另外也有的做成8字形或跑道形。在这种系统中，粒子不能沿着磁力线方向逃窜，终端损失问题不复存在。但是磁场的弯曲又造成许多新的问题。托卡马克系统、仿星器系统、环型箍缩系统都是属于这种类型的实验装置。 1

开端约束的设想是通过所谓“磁镜系统”来实现的。最简单的磁镜结构如图5所示，用许多匝线圈缠绕在一根直的管状反应室上，而且两端的线圈比中间密。如果每一匝线圈上的电流强度都一样，那么管子两端的磁场必然比中间强。这样，绕着磁力线旋进的粒子一旦进入管口的强磁场区，就会受到一个把它推回去的磁场力。对于大多数粒子来说，这个力将迫使它把旋进速度放慢，即轨道螺距缩短，然后停下来，并且折回去，如图6所示。这样的粒子将返回管室中心区域，接着又向另一端旋进。就这样，带电粒子就象光线在两个镜子之间来回反射似地，被约束在管室之中，热核反应就在其中进行。“磁镜”的名称即由此而来。但是，对于这样的系统，终端损失仍然存在，不可能完全避免。为了使磁镜装置能更有效地约束等离子体，对于一定强度的中心磁场来说，磁镜场越强越好。1

磁约束受控核聚变实验装置由于在热核温度下，被约束的等离子体行为极为复杂，在各种类型的实验装置中普遍存在着扩散、漂移、不稳定性等损失机理，所以粒子的约束时间很短，距离实现自持的热核反应尚有相当差距。现在，人们正在进行多途径的探索，同时进行着许多不同类型的实验。如果在这种多途径探索的任何一种实验系统达到自持反应所要求的温度条件及劳逊条件，则就为建成具有实用意义的反应堆创造了条件。当前世界上正在进行的磁约束实验可以分为四大类：箍缩装置、仿星器系统、托卡马克系统、磁镜系统。1