T/CI 010-2022
悬浮偶极场磁约束等离子体装置指南

Guide for levitated dipole magnetic confinement plasma device

被代替

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标准号

T/CI 010-2022

发布

2022年

发布单位

中国团体标准

替代标准

T/CI 010-2023

当前最新

T/CI 010-2023

 

 

适用范围

悬浮偶极场磁约束等离子体装置是基于悬浮载流偶极子线圈产生的闭合极向磁力线形态（即偶极场）来进行等离子体约束的实验装置，其约束原理借鉴了宇宙中行星地磁场磁层等离子体环的约束原理。最早于上世纪80年代，由日本Akira Hasegawa教授和浙江大学陈骝教授共同提出的宇宙空间等离子体约束特性，源自于宇宙星体磁层的等离子体物理研究。在宇宙中，约束等离子体最常见的磁场结构就是磁偶极场。 旅行者2号探测器在宇宙中飞行，途径木星和天王星时，意外地发现木星和天王星外层的空间等离子体环，类似于单个载流线圈产生的极向磁场，对宇宙中带电粒子具有稳定的约束能力，如图1所示，图中红色环部分表示约束的等离子体所形成的天然环。随后日本的Akira Hasegawa教授首次考虑使用偶极磁场线来进行磁约束聚变的概念。    图1 木星磁层等离子体环和地球磁场 偶极磁场约束的等离子体的中心峰值、稳定密度分布是低频电磁扰动引起的径向传输的结果。对于磁层捕获的粒子，其能量足以使反弹和回旋加速器频率比太阳风引起的低频扰动大得多，以保持第一和第二绝热不变量 μ 和 J 为运动常数，无碰撞回旋动力学描述径向扩散方程为：                                  （3.1） 其中F(μ,J,Ψ,φ,t)是沿极向磁力线(Ψ,φ)的反弹平均粒子分布函数，Ψ为磁通函数,φ为环向立体角，t为时间，S是反弹平均加热或粒子源（或损失）。DΨΨ 是径向扩散系数。偶极场等离子体满足三个绝热不变量约束条件，磁通不变量φ、纵向不变量J、磁矩不变量μ，偶极场满足基本约束原理为： （1）磁矩不变量μ：μ=(1/2 mv^2)/B=mv^2/2   sin^2?θ/B=常数　（3.2） （2）纵向不变量J：dJ/dt=d/dt ∮?〖v□(24&dl=-∮??(μB)/?z)〗 □(24&dz=0) 　  （3.3） （3）环向磁通不变量：Φ=∫_s?〖?×A ??ds ?=∮?〖(A?) ?dl ?=〗〗 常数　（3.4） （4）交换模稳定，内能ΔEp＞0：?E_p=δV(δp+pγ δV/V)=δ(pV^γ )  δV/V^γ 　（3.5） 自从发现地球辐射带以来，对地球偶极子磁场中捕获的高能粒子的观察说明了一个非常寻常的过程：太阳活动引起的随机低频波动会产生扩散，从而驱动粒子向内向地球移动并增加了粒子密度。扩散不是使密度梯度变平，而是使捕获在磁偶极子中的粒子达到峰值。与通常的扩散方向相反，粒子密度的中心峰值表现为“湍流收缩”。在强磁化的等离子体中，带电粒子的陀螺半径远小于等离子体[14]的大小，并且等离子体沿磁场的运动与穿过磁场的运动根本不同。低频波动会导致在磁场对准磁通管中的全部粒子的随机径向运动，这种运动将磁场的几何形状与粒子密度分布联系在一起。 在托卡马克装置中，激发的全域干扰会引起等离子体能量的亏损。但在宇宙中，由于地磁腔突发性压缩，或在磁暴期发生的不稳定性对流，会把等离子体约束在地球磁层当中，当地磁腔中心的等离子体密度远大于地磁腔的边缘时，就会导致等离子体密度向内扩散。这种在自然界所观察到的压力分布现象，在其应用到偶极场中后，等离子体能被偶极场很好地约束住，可避免等离子体能量和粒子的向外输运。在行星磁层中，等离子体向内扩散和绝热加热过程，这种现象在LDX实验中得到了证明。下图2为等离子体向外扩散证明。   图2 粒子密度演变过程中的几个不同快照。 上图所示，启动时间为t1，在不稳定被激发之前，t1时刻边缘等离子体向内运动，之后通过t2、t3时刻，在达到t4时刻，等离子体芯部出现密度峰值区。对于偶极场来说，还利用了其内能不变的特点，因偶极场磁感线闭合的特点，可将等离子体很好地约束在磁体外侧。是一种不同于托卡马克、仿星器等磁约束的新途径、新方法。因其优点：结构相对简单、等离子体不破裂、无氚自持、极高比压等卓越特点。适用于D-D或者D-3He反应，无氚和14 MeV中子研究。既可用于空间等离子体探究，也可用于磁约束聚变应用研究。在短期内有望取得跨越式发展，在未来也极大可能成为理想的商业聚变反应堆。

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