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仿星器和托卡馬克有什麽區別?

2016-08-25知識

上面已經說的很好啦~

補充一些基礎內容,圖片、視訊和新的結果~

直觀的區別——

托卡馬克就像個遊泳圈,帥!

仿星器,像個用松了的發箍——醜!

但是真把這麽歪歪扭扭裝置設計加工出來,真的是超級難啊。

言歸正傳,原理上的差別——

簡單講,區別就是 托卡馬克的環形螺旋磁籠產生需要電漿電流,仿星器不需要,直接透過外部線圈產生扭曲的環形磁籠。

稍微科普下:

可控核融合難點在於融合的 產生 與融合物質的 約束 方法。產生就不說了。

地球上公認可行的約束方式有 磁約束 慣性約束

為什麽不能用電約束呢?因為無法構造出三維的閉合電場。(謝@ruran君提醒,有靜電約束裝置fusor,內部是陽離子~ 有興趣可以DIY,詳見: Fusor.net)

為什麽不能用重力約束呢?審題!地球上~~

慣性約束行不行呢?筆者是做雷射的,說句得罪同行的話,慣性約束是個坑。對,神2神3是大坑,NIF是天坑。雷射能做到千赫茲嗎?靶怎麽換?單說增益有什麽用!用萬院士的話說:你用一分錢賺了一毛錢,然後說你多牛逼能賺大錢,合適嗎?

這些點火裝置基本上都是幹別的活的,打著發展新能源的幌子模擬核爆什麽的。(這部份不多扯,免得查水表了。)

那就只剩下磁約束了。

磁約束首先要構造 封閉的磁力線 ,否則帶電粒子沿磁力線自由運動,hold不住,飛出去就損失掉了。

那麽最簡單直接的搞法是,一系列通電線圈沿著大環圍出一個環形磁場。

假設此時僅存在外部磁場,此時磁場是一系列的同心圓磁力線,且內側磁場強度大於外側,帶電粒子受磁梯度力的影響,會導致 電荷分離電場 ,進而造成電漿整體向外漂移:

也就是說這種簡單磁場無法約束帶點粒子。那麽如果構造一個如下圖所示的磁力線,每根線既過上邊也過下邊,可以抵消電荷分離。

具體以含鐵芯變壓器的托卡馬克為例,如下圖:

初級線圈、鐵芯和環狀的電漿共同組成了一個變壓器,初級線圈將電流加至最大後突然撤銷,鐵芯產生變化磁場,透過變化的磁場在環形電漿中感生一個大電流,電流再產生一個極化的磁場(poloidal magnetic field),這個極化磁場加上原先的環形磁場(toroidal magnetic field),合成一個環形螺旋的磁場(twisted helical magnetic field)。

另外由於存在熱膨脹力和中心內環向外的磁壓力,電漿環會向外膨脹擴散,需要再加一個垂直環面的極化磁場將電漿流體向內推,使穩定在平衡位置。因此托卡馬克裝置的磁容器由三部份組成: 環形磁場+電漿電流磁場 形成環形螺旋場, 極向磁場 控制約束高溫等離子流體的平衡位形。

極化磁場通常比環形磁場小得多,因為較強的環形磁場有利於克服等離子流體的不穩定。一條磁力線繞小環一圈所需要繞大環的圈數,稱為安全因子q值。通常q越大,電漿環向電流越小,等離子磁流體的穩定性越好。

但托卡馬克裝置中,實際的電漿電流高達上千萬安培,這會帶來一系列問題:扭曲模、磁面撕裂、磁島產生等,都會降低對等離子流體的約束;失控的話輕則熄火重則爆炸,需要花大力氣研究。

換言之, 電漿電流形成的極向磁場使得磁籠的構成非常簡潔,但高溫(10^8K)、大電流(10^7A)的控制令人煞費苦心。

============分=======割========線============

仿星器的做法就是:內部的電漿電流不要了,把電漿電流控制的難度轉移為三維磁場設計和線圈加工安裝的難度,直接透過外部復雜的線圈,在內部搞出閉合、扭曲的環狀磁籠。

W7-X的磁容器設計【1】:

外部線圈為螺旋繞組,產生旋轉變化的磁場。

3D模型:

50個藍的是不規則超導線圈,20個黃的是普通環形線圈。

由於無電漿環電流,執行更安全,有望建立小型、穩態反應爐。

仿星器懂的不多,不強答了。

分享兩個科普:

W7-X仿星器介紹:

Germany is about to start up a monster machine that could revolutionize the way we use energy

網易公開課:可控核融合 ——萬元熙 院士

放兩張帥照:

德國W7-X:

中國全超導托卡馬克 EAST:

ITER太墨跡了。。。。

按上面的分析,iron man很可能是用的stellarator。逃~)

參考文獻:

[1] Renner H, Boscary J, Erckmann V, et al. The capabilities of steady state operation at the stellarator W7-X with emphasis on divertor design[J]. Nuclear Fusion, 2000, 40(6): 1083.