托卡马克实验的物理基础PDF电子书下载

第1章 受控热核聚变 1

1.1 核聚变 1

1.2 受控热核聚变与等离子体 3

1.3 劳逊判据和聚变三重积判据 4

1.4 聚变反应率近似公式 8

参考文献 9

第2章 等离子体物理 10

2.1 等离子体的基本性质 10

2.2 带电粒子在电、磁场中的运动 12

2.2.1 在均匀电、磁场中的运动 12

2.2.2 在弱非均匀磁场中的运动 14

2.2.3 漂移方程 17

2.2.4 在环形螺旋磁场中的运动 18

2.3 碰撞 23

2.3.1 弹性库仑碰撞 23

2.3.2 高能粒子的能量衰减 27

2.3.3 等离子体不同成分之间的温度平衡和能量交换 29

2.3.4 碰撞弛豫时间和碰撞频率 30

2.3.5 非弹性碰撞 32

2.3.5.1 电离 32

2.3.5.2 复合 34

2.3.5.3 电荷交换 35

2.4 等离子体的描述方法 37

2.4.1 玻耳兹曼方程 38

2.4.2 流体动力学方程（输运方程） 41

2.4.3 湍流扰动的关联分析 46

2.4.3.1 时空关联函数 49

2.4.3.2 功率谱（湍流谱） 49

2.4.3.3 相干系数谱 50

2.4.3.4 定域波矢-频率谱 51

2.4.3.5 非线性波-波相互作用（双谱） 51

2.5 磁约束等离子体的平衡 53

2.5.1 平衡磁场位形的基本性质 54

2.5.2 大环径比圆截面托卡马克等离子体的平衡 56

2.5.3 托卡马克等离子体平衡积分关系 60

2.5.4 托卡马克等离子体平衡微分方程 63

2.6 磁流体动力学（MHD）不稳定性 64

2.6.1 扰动量的线性化理想MHD方程 65

2.6.2 能量原理 67

2.6.3 托卡马克MHD不稳定性 70

2.6.4 交换不稳定性的物理图像 74

2.6.5 扭曲不稳定性的物理图像 76

2.6.6 m=1内部模 77

2.6.7 m≥2内部模 79

2.6.8 撒丹判据 80

2.6.9 交换不稳定性的气球模 81

2.6.10 扭曲模 84

2.6.11 扭曲不稳定性的气球模 86

2.6.12 环形和异形截面效应 88

2.6.13 电阻不稳定性与磁岛 93

2.6.14 电阻交换模 95

2.6.15 电阻撕裂模 97

2.6.16 轴对称模 103

2.7 等离子体波 105

2.7.1 均匀等离子体波的色散方程 106

2.7.2 波的极化特性 110

2.7.3 介电张量 112

2.7.3.1 流体近似下的介电张量 112

2.7.3.2 动理学介电张量 114

2.7.4 自由等离子体波 121

2.7.5 存在外磁场的等离子体波 126

2.7.5.1 冷等离子体波 126

2.7.5.2 热等离子体波 142

2.7.6 磁化等离子体波的衰减 155

2.7.6.1 电子回旋衰减 156

2.7.6.2 离子回旋衰减 158

2.7.6.3 切连柯夫衰减 159

2.7.7 等离子体电磁波能量输运方程 160

2.8 微观不稳定性 162

2.8.1 稳定性判别条件 162

2.8.2 电子与离子成分相对运动引起的不稳定性 165

2.8.3 非均匀等离子体不稳定性 166

2.8.3.1 漂移波与温度漂移不稳定性 166

2.8.3.2 电流对流不稳定性 170

2.8.3.3 耗散漂移不稳定性 173

2.8.3.4 重力漂移不稳定性 174

2.8.3.5 离子声不稳定性 175

2.8.3.6 离子回旋不稳定性 175

2.8.3.7 离子温度梯度不稳定性 176

2.8.3.8 电子温度梯度不稳定性 178

2.8.4 捕获粒子不稳定性 180

2.8.4.1 耗散捕获离子不稳定性 181

2.8.4.2 耗散捕获电子不稳定性 182

2.8.5 微观撕裂不稳定性 183

2.9 输运过程 189

2.9.1 经典输运 191

2.9.1.1 扩散系数 191

2.9.1.2 热传导系数 192

2.9.1.3 黏滞系数 193

2.9.1.4 摩擦力和电导率 195

2.9.1.5 碰撞加热功率密度 196

2.9.2 新经典输运 196

2.9.2.1 漂移概念下的双极扩散 197

2.9.2.2 新经典扩散和热传导系数 198

2.9.2.3 电导率的新经典修正 202

2.9.2.4 自举电流 202

2.9.3 非经典输运 203

2.9.3.1 玻姆扩散系数和赝经典电子热传导系数 203

2.9.3.2 能量约束时间和湍流输运系数定标 204

2.9.3.3 湍流输运系数 208

2.10 托卡马克等离子体加热和无感电流驱动 218

2.10.1 欧姆加热 219

2.10.2 中性粒子束加热 220

2.10.3 射频波加热 226

2.10.4 射频波和中性粒子束电流驱动 230

参考文献 236

第3章 等离子体诊断原理 243

3.1 磁通测量 243

3.1.1 单匝环 244

3.1.2 罗果夫斯基线圈 245

3.1.3 位移探针 246

3.1.4 反磁探针 255

3.1.5 米尔诺夫探针 256

3.2 电探针 260

3.2.1 电探针的德拜鞘和伏安特性 261

3.2.2 双探针和三探针 264

3.2.3 磁场效应 266

3.2.4 马赫探针 270

3.2.5 齐平探针 275

3.3 电子密度诊断 286

3.3.1 微波和激光干涉测量 286

3.3.2 汤姆逊散射绝对测量 287

3.3.3 微波反射 289

3.3.4 阿贝尔反演 289

3.4 电子温度诊断 290

3.4.1 汤姆逊散射谱 291

3.4.2 电子回旋辐射 292

3.4.3 软X射线连续谱 293

3.5 离子密度诊断 298

3.5.1 高能中性粒子束衰减 298

3.5.2 高能中性粒子束诱导的杂质离子电荷交换复合辐射 299

3.5.3 等离子体线辐射 301

3.5.4 有效电荷数 306

3.6 离子温度诊断 307

3.6.1 电荷交换中性粒子能谱 308

3.6.2 光谱线多普勒展宽 312

3.6.3 离子对中性束粒子的弹性散射 314

3.7 等离子体电流密度分布诊断 317

3.7.1 杂质谱线的塞曼效应 318

3.7.2 氢谱线的运动斯塔克效应 322

3.7.3 极化平面的法拉第旋转 324

3.7.4 电子回旋频率对激光散射谱的调制 325

3.7.5 电流密度分布与内部磁场之间的关系 327

3.8 湍流扰动量诊断 328

3.8.1 电子密度扰动对电磁波的集体散射 329

3.8.2 磁场扰动对电磁波的集体散射 331

3.8.3 湍流扰动线积分量之间的关联 333

3.9 聚变产物诊断 338

3.9.1 中子诊断 338

3.9.2 γ射线诊断 340

3.9.3 α粒子诊断 342

3.10 层析分析 348

3.10.1 线积分辐射率 348

3.10.2 层析分析 350

参考文献 353

第4章 托卡马克装置 361

4.1 装置主机 361

4.1.1 变压器、真空室和磁场线圈 361

4.1.2 孔栏和偏滤器 364

4.2 国际热核聚变实验堆 368

4.2.1 磁场系统 370

4.2.2 偏滤器 371

4.2.3 真空室和第一壁／包层模件 373

4.2.4 辅助系统 377

附注：书中涉及的主要实验装置参数表 381

参考文献 382

第5章 物理调试 386

5.1 真空室壁处理和杂质问题 386

5.1.1 高温烘烤 387

5.1.2 放电清洗 388

5.1.3 金属或化学物质吸气膜涂覆 393

5.2 初始托卡马克等离子体的形成 400

5.2.1 气体电离和击穿条件 401

5.2.2 托卡马克等离子体的形成 405

5.3 平衡位移控制 407

5.4 伏秒数消耗量和预电离 413

5.4.1 伏秒数消耗量 413

5.4.2 预电离 415

5.5 稳定运行参数区域 419

5.5.1 阿尔齐莫维奇运行区域图 420

5.5.2 村上定标 420

5.5.3 海吉尔定标 421

5.5.4 格暖列兹定标 422

5.5.5 格林沃德定标 422

5.5.6 MHD不稳定性对运行参数的限制 422

参考文献 425

第6章 MHD平衡实验数据分析 429

6.1 等离子体平衡积分参数 430

6.2 平衡位形重建方法 433

6.2.1 等离子体边界拟合 433

6.2.1.1 线电流组合模型（线性回归） 433

6.2.1.2 分布电流模型（非线性回归） 437

6.2.1.3 磁通按环形△ψ＝0本征解展开的拟合 440

6.2.1.4 简化的边界拟合 444

6.2.2 等离子体电流密度拟合 445

6.3 平衡实验数据分析 448

6.4 垂直不稳定性与附着真空室壁的瞬态平衡 456

参考文献 463

第7章 磁流体不稳定性实验研究 466

7.1 MHD不稳定性现象特征 466

7.2 米尔诺夫振荡和模式耦合 473

7.3 软X射线锯齿振荡和内破裂 482

7.4 破裂不稳定性 494

7.4.1 主要物理机制和现象特征 495

7.4.2 破裂的统计分析和实时预报 499

7.4.3 抑制破裂的方法 504

参考文献 527

第8章 输运实验 532

8.1 粒子和能量约束时间 532

8.2 粒子约束 535

8.3 欧姆等离子体的离子能量约束 543

8.4 约束模式 546

8.4.1 欧姆约束模 546

8.4.2 低约束模 551

8.4.3 高约束模 553

8.4.4 其他约束模 558

8.5 输运过程 562

8.5.1 新经典输运和超经典电子热扩散系数 563

8.5.2 边缘输运垒与L-H模转变 566

8.5.3 内部输运垒与反剪切约束 572

8.6 先进托卡马克 581

8.7 聚变等离子体实验 587

参考文献 605

索引 611