TOKAMAK 5.1~5.5读书报告

报告人：胡砚强

• 1. 辅助加热• 2. 欧姆加热• 3. 中性束注入加热• 4. 结论

辅助加热• 为了将等离子体加热到氘氚燃烧所需温度，已经

提出了多种加热方法，其中主要包括欧姆加热，中性束注入加热，波加热等

• 这里主要介绍欧姆加热和中性束注入加热

欧姆加热• 环向流是 Tokamak 等离子体平衡位形建立的条件，

同时也可以用于加热等离子体。• 欧姆加热功率随电子温度上升而降低，功率密度

为

• 欧姆加热所能达到的温度为

• 取 3,5.1,5.1 0 aRqqZ aeff

• 欧姆加热得到最高温度与磁场关系

• 对于 6T 的磁场，可以得到 3.6keV 的最高温度，显然距离聚变反应的要求有差距，因此必须考虑其他的加热手段。

• 欧姆加热的另一缺点是脉冲运行。由于变压器只能提供有限的伏秒数，要做到稳态运行，须进行非感应电流驱动。

中性束注入加热• 原理 中性粒子可以穿越磁场不被约束。注入到等

离子体的高能中性粒子束通过和带电粒子的碰撞而电离，因而被约束，并渐渐热化而加热了等离子体。

• 中性中性粒子束主要通过三种原子过程而被吸收：电荷交换、离子电离和电子电离

• 可根据它们的反应速率系数选择适当的中性粒子能量，使得中性束在等离子体中心处被吸收，达到加热中心区的目的。

• 束强度随注入距离的变化为

• 中性粒子束注入的主要技术问题是选择束参数使吸收主要发生在等离子体中心区域，能达到有效的加热。

• 在注入位形上，一般采取两种方式，垂直注入和切向注入

中性束注入位形

• 中性粒子束的能量不能完全被等离子体吸收，因为存在几种损失机构。

• 1. 部分束粒子穿透等离子体而损失到壁。• 2. 束粒子电离后又被电荷交换中性化而损失。• 3. 激发 Alfven 本征模而损失部分能量。

• 束的加热 中性粒子束被吸收后，通过碰撞将能量传递

给等离子体。每个束离子对等离子体粒子的加热功率为

常数

• 第一项表示传给电子的份额，与束能量成正比； 第二项为离子份额，与束能量根号成反比。

电子离子吸收能量份额与 的关系e

b

TE

• 对于一定能量的入射束，这个热化过程是先从电子开始，待高能离子慢化后，再传给离子。

• 两种粒子吸收能量各占一半的能量记为 ，令 ，则 为

cE17ln cE

• 入射束在速度空间的轨迹

• 实验研究

JET 上中性束注入波形

• 上图为 JET 上用峰值功率 14MW 的中性粒子束，包括 1.5MW 的氚束的加热结果。自上而下为离子和电子温度，等离子体能量，中子产额，中性束功率。其中离子温度提高到 19keV ，聚变功率达到 1.5MW 。

结论• 辅助加热的必要性• 欧姆加热的缺点• 中性束加热的优点

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