降低欧姆点火所需磁场的研究

来源 :中国科学技术大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:Daniel999
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热核聚变需要等离子体有足够高的温度和密度,聚变反应才能发生并通过自持燃烧产生核能。在托卡马克中,欧姆加热是最基本也是最简单的加热方式,由于在等离子体温度增高时,欧姆加热功率下降,因此也发展出如中性束加热和射频波加热等其它辅助加热方式。但这些加热方式不仅带来了工程和物理上的复杂性,而且价格昂贵。因此,能否通过仅靠欧姆加热达到点火条件一直是磁约束等离子体一个重要的研究方向。由于欧姆加热随等离子体温度上升效率急剧下降,对于圆形截面的托卡马克,实现欧姆点火需要约20特斯拉的磁场,这在工程上是不现实的。但Chu等人的研究表明,如果将托卡马克的截面纵向延伸,可以降低托卡马克点火所需的环向磁场强度到6特斯拉左右(Chu MS,etal.1985,Nuclear Fusion,25),这大大缓解了的托卡马克欧姆点火需要强磁场这一问题。然而此研究并未考虑近期磁约束实验所观测到的自然产生的输运壁垒对点火条件的影响。在本工作中,我们研究了不同的等离子体密度和温度剖面对欧姆点火临界磁场的影响。发现对于外部输运壁垒的存在导致的等离子体密度和温度分布,欧姆点火所需磁场增大。这是因为等离子体的聚变功率主要集中在等离子体芯部。外部输运壁垒或其它因素导致的等离子体芯部分布趋向变平缓的改变,都会降低聚变功率,因此需要更强的磁场降低等离子体的功率损失。我们研究结果表明,在同样参数下,考虑了外部输运壁垒效应,欧姆点火所需磁场大约增加20%,对欧姆点火条件不会产生灾难性的影响。本文的研究有助于探讨未来托卡马克热核聚变反应堆欧姆点火的可能性以及欧姆加热的优化问题。
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