磁约束聚变原理与实践PDF电子书下载

第一章 绪言 1

1.1 人类文明发展对能源的需求 1

1.2 核聚变——原子能科学的光辉未来 1

第二章 聚变能 7

2.1 太阳中的聚变反应 7

2.2 转核聚变反应 7

2.3 关于用束靶作用和对碰束来实现聚变反应的问题 8

2.4.1 聚变反应功率 9

2.4 实现受控聚变反应的基本要求 9

2.4.2 辐射损失 10

2.4.3 劳逊判据 11

2.4.4 能量得失相当判据（零功率堆判据） 11

2.4.5 自持燃烧条件（点火条件） 12

2.5 聚变能资源 13

2.6 聚变-裂变资源的混合开发 14

第三章 磁约束聚变原理 15

3.1 磁场对带电粒子的约束 16

8.1.3 欧姆加热对离子和电子温度的限制 18

3.2 等离子体稳定约束对磁场位形的要求 19

3.3 等离子体输运与约束的关系 20

3.4.1 等离子体的产生和宏观平衡位形的建立 22

3.4 等离子体的产生和加热 22

3.4.2 等离子体的进一步加热：中性束注入和微波加热 23

3.5 燃料的补充 24

3.6 磁约束聚变研究的途径及其发展阶段 24

3.4.3 非感应电流驱动 24

3.7 主要的研究途径和发展情况 27

3.8 反应堆概念设计及核包层研究 32

3.9 下世纪初磁约束聚变研究的发展前景 33

3.10 中国的磁约束聚变研究 34

4.1.1 基本方程组 37

4.1 关于聚变等离子体中磁场位形的基本知识 37

第四章 磁约束聚变装置中的磁场位形 37

4.1.2 磁力线及磁力线组成的曲面 38

4.2 环形约束系统的一般性质 39

4.3 某些特定电流产生的磁场 41

4.3.1 圆圈电流产生的磁场 41

4.3.2 简单的磁镜位形 43

4.3.3 会切场位形 43

4.3.4 圆柱面上相距为b的多个电流圈产生的磁场 44

4.3.5 直线多极磁场 44

4.3.6 圆柱面上螺旋对称电流产生的磁场及直线仿星器的磁面 45

4.3.7 具有螺旋绕组的磁场中磁力线的旋转变换 46

4.4 环形仿星器的真空磁场及磁面 47

4.4.1 环形区域中求解真空磁场的小量展开法 48

4.4.3 环形修正的一级近似解 49

4.4.2 基本磁场（零级近似） 49

4.4.4 ι=3的环形仿星器的真空磁面 50

4.5.1 模拟托卡马克位形 52

4.5 托卡马克位形的模拟分析 52

4.5.2 直接托卡马克近似的一些性质 53

4.6 准稳态电磁场中导体的作用 54

4.6.1 导体面上电磁场边界条件的理解 54

4.6.2 具有切口的导体中涡流回路的分析 54

4.7 磁场位形结构的稳定性 56

4.7.1 主要的磁场扰动及来源 56

4.7.3 共振扰动的磁面 57

4.7.2 非共振型扰动磁面的估算 57

4.7.4 磁岛的重叠及磁场位形结构的无规化区域 58

4.8 偏滤器位形（divertor） 59

第五章 磁约束等离子体的宏观运动特性 61

5.1 宏观运动状态的描述方法：磁流体运动方程组和输运方程组 61

5.2 轴对称环形平衡位形 63

5.2.1 一般讨论 63

5.2.2 接近于圆截面的小变形位形 65

5.2.3 直圆柱近似（零级近似） 66

5.3 托卡马克等离子体的位形演变：1 1/2维输运 68

5.3.1 关于1 1/2维输运问题的一般讨论 68

5.3.2 快加热过程中磁面的演变:通量守恒托卡马克位形 70

5.4 关于磁约束聚变等离子体磁流体不稳定性的一般讨论 73

5.4.1 磁流体动力学方程组 73

5.4.2 线性化方程与位移函数 74

5.4.3 理想磁流体能量变分原理 75

5.4.4 等离子体边界稳定性:能量原理的一个简单应用实例 77

5.5 磁流体波 78

5.6 载电流等离子体圆柱的扭曲模不稳定性 79

5.6.1 直圆柱平衡条件 79

5.6.2 极小化位能变化的表示式 80

5.6.3 表面项及真空项 81

5.6.4 关于电流分布的讨论 82

5.6.5 磁流体模的实验观察 84

5.7 电阻性磁流体不稳定性 85

5.7.1 运动等离子体中的磁扩散方程 85

5.7.2 平板位形中的撕裂模 86

5.7.3 撕裂模的增长率 88

5.7.4 托卡马克中的撕裂模 88

5.7.5 撕裂模的转动频率 90

5.7.6 撕裂模的非线性发展 91

5.7.7 导体壳效应 91

5.8 托卡马克锯齿型磁流体活性和内扭曲模 92

5.8.1 理想内扭曲模 92

5.8.2 环形效应对内扭曲模的作用 94

5.8.3 离子反磁漂移效应 95

5.8.5 电阻性内扭曲模 96

5.8.4 关于据齿活性的实验 96

5.9 轴对称不稳定性 98

5.9.1 近似于圆截面的位形中的轴对称扰动 98

5.9.2 导体壳的稳定性作用：椭圆截面位形 99

5.9.3 位移不稳定性对等离子体约束的影响及控制 100

5.10 破裂不稳定性 100

5.10.1 破裂不稳定性的类别及主要特性 100

5.10.2 破裂不稳定性的机制 102

5.10.3 破裂不稳定性的防止与控制 103

5.11 气球模不稳定性的比压极限 103

6.1.1 Debye屏蔽 110

第六章 聚变等离子体的粒子动力论(Kinetic theory)描述 110

6.1 聚变等离子体粒子相互作用的一般特征 110

6.1.2 二体碰撞 112

6.2.2 漂移近似方程 115

6.2 带电粒子的运动特性和描述方法 115

6.2.1 均匀强磁场中的电漂移 115

6.2.3 回转中心的转道:捕获粒子和飞行粒子 117

6.2.4 捕获粒子对外场的响应 120

6.3 等离子体集体相互作用的描述：玻-麦方程组,经典和新经典输运 121

6.3.1 玻-麦方程的一般形式 121

6.3.2 碰撞积分的形式：郎道算子 122

6.3.3 动力论方程的简化形式：漂移动力论方程和回旋动力论方程 122

6.3.4 速度分布函数的线性化和准线性化演变 123

6.3.5 磁场中等离了体的经典输运 124

6.3.6 新经典输运 125

6.3.7 自举电流(Bootstrap current) 127

6.4 波和等离子体的相互作用 127

6.4.1 冷等离子体的色散关系 128

6.4.2 波的偏振(polarization):O波和X波,快波和慢波 129

6.4.3 波的截止和共振 130

6.4.4 波在不均匀等离子体中的传播特性:波的束迹(ray tracing)方程 131

6.4.5 波的吸收 135

6.4.6 模转换和波的随机吸收 137

6.4.7 关于ICRF波段中慢波定义的一个附记 138

6.5 托卡马克等离子体的反常输运现象的理论研究 138

6.5.1 静电湍流产生的反常输运 139

6.5.2 磁扰动产生的反常输运 142

6.6 静电漂移波不稳定性 143

6.6.1 平板电子和离子温度梯度模:局域近似 145

6.6.2 捕获电子模 149

6.7 引起磁湍流的主要微观模式 149

6.7.1 一种微撕裂模模型及形成磁湍流的条件:非线性离子泵浦机制 150

6.7.2 电阻性压强驱动模(电阻性气球模) 151

第七章 边缘等离子体物理、等离子体与器壁相互作用及杂质物理 154

7.1 磁约束聚变等离子体边缘区的特性 155

7.2 刮离区和等离子体鞘特性 156

7.2.1 一维刮离层模型 157

7.2.2 等离子体鞘的内部特性 157

7.2.3 刮离区特性 159

7.3 边缘等离子体中的分子原子过程及边缘参数与中心参数的联系 160

7.3.1 中性粒子向等离子体内部的透入 160

7.3.2 边缘粒子密度与中心粒子密度的关系 162

7.3.3 边缘等离子体温度的估计 163

7.4 杂质物理 164

7.4.1 杂质产生的机制 164

7.4.2 杂质输运 170

7.4.3 杂质含量与等离子体参数的关系 173

7.4.4 杂质效应 175

7.5 与辐射有关的边缘物理现象 177

7.5.1 密度极限破裂现象 177

7.5.2 来自边缘的多层次非对称辐射(MARFE)现象 180

7.5.3 脱栏等离子体现象 181

7.6 偏滤器物理 182

7.6.1 刮离区模型 182

7.6.2 靶区物理 183

7.6.3 靶板热负荷的均匀化 185

第八章 磁约束聚变等离子体的加热和非感应电流驱动 188

8.1 欧姆加热 188

8.1.1 一般原理 188

8.1.2 电流的感应驱动及其限制 189

8.2 中性束注入加热 192

8.2.1 高能中性粒子与本底等离子体的相互作用 192

8.2.2 沿束注入方向束的透入深度 193

8.2.3 电子和离子成分加热功率沉积密度 195

8.2.4 中性束加热效率 195

8.2.5 高能离子分布函数：富克-普朗克方程 196

8.2.6 伴随中性束注入的物理问题 197

8.3 磁约束等离子体的波加热 198

8.3.1 离子回旋频段(ICRF)波加热 198

8.3.2 电子回旋频段波加热 202

8.3.3 低混杂频段波加热 205

8.4 非感应电流驱动:中性束驱动和自举电流 206

8.4.1 定向中性束注入产生的电流 207

8.4.2 自举电流 209

8.5 射频波驱动环向电流研究 211

8.5.1 波驱动电流的基本原理 213

8.5.2 低杂波电流驱动(LHCD) 216

8.5.3 电子回旋波电流驱动(ECCD) 218

8.5.4 快磁声波电流驱动(FWCD) 220

8.5.5 关于非感应电流驱动研究的小结 222

第九章 托卡马克实验研究 225

9.1 关于托卡马克实验研究的一般性综述 225

9.2 托卡马克装置 230

9.2.1 托卡马克装置的主要部件 231

9.2.2 一些重要的托卡马克装置简介 235

12.4.1 ITER概念设计CDA(Conceptual Design Activity)(1988-1990) 238

9.3.1 磁流体平衡位形的建立 242

9.3 托卡马克等离子体磁流体平衡和稳定性 242

9.3.2 托卡马克等离子体的磁面结构 243

9.3.3 破裂不稳定性的实验研究 244

9.3.4 内扭曲模和据齿活性 248

9.3.5 磁流体活性对高性能参数的限制 252

9.3.6 位形优化实验研究 253

9.4 托卡马克的加热、粒子补充及非感应电流驱动实验研究 253

9.4.1 中性束注入加热 254

9.4.2 离子加旋频段波加热实验 256

9.4.3 低杂波电流驱动实验研究 258

9.4.4 弹丸注入送料实验 259

9.5 托卡马克能量约束定标律：欧姆约束定标和高功率加热的L-模定标 261

9.5.1 欧姆加热条件下的约束标研究 261

9.5.2 高功率加热下的L-模约束定标 262

9.5.3 L-模定标下的反常输运研究 263

9.6 H-模约束性质的研究(1):边缘H-模 265

9.6.1 边缘H-模的基本特征 265

9.6.2 边缘H-模的一种重要伴随现象:边缘定域模(ELM)活性 266

9.6.3 H-模状态下的输运特性:输运壁垒及其机制 267

9.5.4 L-模约束的输运模型 269

9.6.4 H-模约束的实验定标 269

9.7 H-模约束性质的研究(2):中心区改善约束模式 270

9.7.1 TFTR的超放电(Supershot,简称,S-模) 271

9.7.2 高级向比压H-模 271

9.7.3 DIII-D和JEF的甚高约束模式(VH) 272

9.7.4 JET的热离子H-模 273

9.7.5 增强反剪切位形(ERS)和中心负剪切位形(NCS)模态 273

9.7.6 长脉冲H-模约束实验 275

9.7.7 其他改善约束实验及小结 277

9.8 托卡马克偏滤器实验 277

9.8.1 JET的MK-I和MK-IIA偏滤器实验 278

9.8.2 高密度辐射偏滤器的初步实验 279

9.9 JET和TFTR装置上的氘氚实验 280

9.9.1 氘氚等离子体物理研究 280

9.9.2 a粒子物理的初步研究 281

9.9.3 氚工艺问题 281

第十章 仿星器-环形螺旋装置研究 285

10.1 仿星器位形的发展和特征 287

10.1.1 多种仿星器形态 287

10.1.2 螺旋线圈的模块化及模块化仿星器 288

10.1.3 仿星器位形的优化 289

10.1.4 仿星器实验装置 292

10.1.5 主要的仿星器装置简介 294

10.2 仿星器的磁面位形及等离子体稳定性研究 294

10.2.1 真空磁面结构的实验观察 294

10.2.2 等离子体平衡位形及平衡电势 297

10.2.3 宏观稳定性与密度极限问题 298

10.3 仿星器等离子体的加热和约束研究 299

10.3.1 仿星器等离子体的加热 299

10.3.2 约束定标研究 301

10.3.3 仿星器H-模约束 302

10.3.4 仿星器研究的进一步发展 303

10.4 仿星器的偏滤器系统 303

第十一章 磁镜、反向场箍缩、球形环位形 307

11.1 磁镜位形的研究 307

11.1.1 标准磁镜实验 307

11.1.2 串级磁镜研究 307

11.2 反向场位形的研究 310

11.2.1 反向场位形的产生和稳定性 310

11.2.2 反向场实验研究 312

11.2.3 关于反向场研究的发展趋向 313

11.3 球形环(小环径比托卡马克)的研究 313

11.3.1 球形环位形及稳定性 314

11.3.2 球形托卡马克实验研究 314

11.3.3 球形托卡马克的发展展望 316

12.1 氘氚燃烧等离子体的基本特征 319

第十二章 氘氚燃烧物理及研究规划 319

12.1.1 a粒子加热功率的特征及热不稳定性 320

12.1.2 a粒子的经典特性 321

12.2 氘氚燃烧等过程的启动和维持 323

12.2.1 放电的建立 323

12.2.2 燃烧的维持:热不稳定性的控制 323

12.3 聚变a粒子与环形阿尔芬本征模的相互作用 325

12.3.1 托卡马克中的环形阿尔芬本征模 325

12.3.2 TAE模及其效应的实验证实 326

12.4 国际热核聚变实验反应堆(ITER)研制 328

12.4.2 工程设计研究EDA(Engineering Design Activity)及主要的R D项目 330

12.4.3 氚的提供和处理 332

12.4.4 主要的R D项目 332

12.4.5 经费 332

符号索引 335

专有名词索引(中英文对照) 342