[科普中国]-磁约束

原理

组成聚变等离子体的电子、燃料的离子及非燃料元素的离子(杂质)，以及它们携有的能量，可以通过多种物理过程从约束区域流失。这些过程包括粒子轨道与器壁相交引起的直接损失， 由粒子间碰撞及粒子群集体相互作用引起的扩散和热传导， 各种辐射损失等。

氘、氚等较轻的原子核聚合成较重的原子核时，会释放大量核能，但这种聚变反应只能在极高温下进行，任何固体材料都将熔毁。因此，需要用特殊形态的磁场把由氘、氚等原子核及自由电子组成的一定密度的高温等离子体约束在有限体积内，使之脱离器壁并限制其热导，这是实现受控热核聚变的重要条件。

利用强磁场能大幅度地减小带电粒子横越磁力线扩散和导热的特性， 使处在磁场中的高温等离子体的芯部与容器的器壁隔离开。

磁约束位形从几何形态上分，磁约束位形分为直线位形和环形位形。

直线位形直线位形的代表是磁镜，其等离子体约束区的结构像一个纺锤(图1)。其原理是一部分带电粒子(相对于磁力线方向而言，其速度的垂直分量大于一定的临界值)会从磁场较强的端塞区反射回来，于是在磁场较弱的中部形成约束区。由附加的复杂的磁场保证等离子体的宏观稳定性。但是，由于粒子的碰撞作用，带电粒子在一定时间内仍能从磁缝中逸出，这是磁镜位形要解决的主要问题。目前提出用多级镜来减小这种损失，称为串级磁镜。不过，磁镜装置实验得到的总体等离子体参数离建聚变堆的差距太大，现在磁镜位形的研究已基本停止。

环形位形环形位形是各种磁力线封闭在空间“环形”区域中的位形的总称(不一定是圆环)，包括托卡马克、仿星器(及一般地称作先进环形位形)、反向场位形等。带电粒子不会沿磁力线逸出约束区，但由于环形不均匀性，粒子可以横越磁场做漂移运动，电子和离子的漂移方向相反，因而会引起电荷分离，这一过程中的电场具有破坏整体约束的作用。解决的办法是引起沿环的径线方向的磁场(“极向”磁场)，也称对磁力线进行旋转变换，使磁力线成为环形螺线。这样一来大部分的粒子的轨道将闭合，如果对总体磁场进行优化设计，可以保证等离子体的整体宏观稳定性。2

研究装置磁约束研究的主要途径现有托卡马克装置、先进环形装置(仿星器)、反向场箍缩、球形环及串级磁镜等。

托卡马克环流器（即tokamak，音译为托卡马克）。它的名字来源于环形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnet）、线圈（kotushka）。是目前性能最好的一种磁约束装置。

反向场箍缩这是一类环向磁场强度较低(与托卡马克相比)，环向电流较强的位形，因靠近边缘区的环向磁场与中心区的环向磁场方向相反而得名。理论分析认为这类位形具有更高的稳定比压值。等离子体因电流的焦耳热及湍流过程而得到加热，也可引入中性束等二级加热。实验研究获得了稳定运行的参数区，但温度、密度都较低。与托卡马克比，输运损失明显地大，而且杂质含量很高。

串级磁镜简单的磁镜位形中氘氚等离子体的品质因子(聚变功率与加热功率之比值)必定小于1，只有串级磁镜才有可能建成聚变堆。主要原理是在磁镜端塞处建立电位垒来阻止粒子沿磁力线的快损失，建立“热垒”来减小电子热传导。由于大型串级磁镜装置的建造方案未被批准，现在只有几个较小规模的装置在进行原理性研究。

球形环又称小径比托卡马克，其等离子体的大半径与小半径之比可减小到1.2左右。这种位形具有很高的稳定比压值(已经实现大于40%的平均比压，为托卡马克的5倍)，因而有很高的功率密度。装置结构相对简单，环向磁场通过中心导体柱流过的电流产生，极向电流中含较大比例的自举电流，因此降低了电流驱动的要求。可以采用中性束注入及波加热。磁体可以采用铜导体，聚变堆可以小型化，可能在核废料处理及强中子源方面首先得到应用。几个较大规模装置即将投入运行。

仿星器为了避免带电粒子的流失，科学家曾经把磁力线连同等离子体弯曲连接成环形。后来又改进为呈8字形的圆环形磁力线管，称为仿星器。

尽管托卡马克被认为是人类未来最具有实用价值的可控核聚变装置，但仿星器也得到了世界不少科学家的研究兴趣。仿星器最早是由 Lyman Spitzer发明的并且在第二年建成，它在50-60年代曾十分流行。

德国科学家认为，仿星器可能是最适合未来核聚变电厂的类型。德国正在建造的世界上最大的仿星器实验室被命名为Wendelstein X-7。

方案设计要求组成聚变等离子体的电子、燃料的离子及非燃料元素的离子(杂质)，以及它们携有的能量，可以通过多种物理过程从约束区域流失。这些过程包括粒子轨道与器壁相交引起的直接损失， 由粒子间碰撞及粒子群集体相互作用引起的扩散和热传导， 各种辐射损失，等等。一种合乎要求的磁约束方案必须同时解决三方面的问题：①能很好地约束带电粒子；②能确保聚变等离子体处于稳定的宏观平衡态；③具有良好的横越磁场的输运(扩散和热传导)特性和在合理程度上控制杂质。