等離子體加熱

科學知識 9547 336 2015-05-13

概念

       等離子體一般可以包括一部分電離的不完全電離等離子體,而把此類等離子體繼續加熱,最終會變成完全電離等離子體,其溫度達到上億度等離子體,但并非向二位說的會發生核聚變拉曼光譜儀!   

       上億度的完全電離等離子體只是發生核聚變反應的條件之一 微型光譜儀,還要對這樣的等離子體進行約束,使其局限在一個適度小的空間里,等離子體達到一定的密度,滿足勞遜判據光譜儀(等離子體的約束時間、密度達到一個數值)光譜分析儀才能進行核聚變反應!磁約束受控核聚變就是這個原理,你可以看一下中科院等離子體物理研究所,就是搞這個的。 其中的科普小組的網頁更值得你看看 很詳細和全面的   

       和磁約束相對的是慣性約束受控核聚變光通量,是靠強激光轟擊聚變材料的靶丸,使它急速收縮,產生高溫高壓高密度等離子體,并發生核聚變反應!   

       另外,太陽那樣的恒星之所以能進行核聚變激光波長,是因為它的質量非常大,進而引力很大,使完全電離等離子體受到強有力的向內吸引力,即靠自身引力來約束。等離子體號稱物質的第四態化學發光。是物質被加熱或電離之后變成正離子和電子在一起的混合狀態…… 如果繼續加熱,原子內層電子獲得能量繼續電離低溫等離子體[1],等離子體隨著溫度上升物質的量也越來越大。當溫度高到上億度的時候,會發生聚變反應。當然,具體什么時候發生什么紅外光譜儀,那要看具體的物質了:構成物質的原子不同,它的各個電子的電離能不同,聚變需要的能量也有不同……但是,主線就是像上面說的一樣光纖光譜儀,只是具體的溫度點要靠具體的物質、物質的量來決定。

用途

  dengl}z一t一J一ore 等離子體加熱(plasma heating)利用外加 功率源來提高等離子體溫度的方法和技術手段。瑯變 裝t中的等離子體是由人工方法(極大多數情況下是 將嫩料氣體電離)產生的,起始溫度僅幾十萬度(或幾 十電子伏特),需不斷從外部輸人能t來繼續提商其溫 度,直至達到能滿足自持反應條件(此時氛佩反應產生 的Q粒子將起加熱功能,維持必要的溫度).各種適宜 于加熱等離子體的方案必須滿足兩方面的要求:?它 們不會破壞整體約束(如引起強的等離于體不鵝定性 或引起大量雜質);?在相當寬的參數范圍內加熱效率 高.并且工藝要求合理。已為實踐證明有效的并可用于 聚變堆加熱的方法主要有:歐姆加熱、高能中性束注人 加熱、波加熱。在聚變堆自持燃燒條件下,則主要依靠 聚變Q粒子的自加熱。 加熱和約束的關系在許多類型的聚變裝t中, 等離子體的形成和初始加熱是與建立穩定的等離子體 位形相協調的.如托卡馬克和仿星器中的歐姆加熱、反 向場位形中的歐姆加熱和湍流加熱等。但當用更強功 率的加熱來進一步提高等離子體的溫度時,卻發現約 束在一定程度上變壞,這是由于強功率加熱不可避免 地會激發某些不穩定性和增大雜質含t。結果,能t約 束時間隨加熱功率的加大而下降。為滿足自持聚變反 應條件,就必須加大聚變堆幾何尺寸和采用更大規模 的強功率加熱。典型的強功率加熱要求已達100 MW 量級。 歐姆加熱通過等離子體中的電流會產生焦耳 熱,其功率密度與電流密度平方和等離子體電阻率成 正比.歐姆加熱實際上是外電場對電子做功,首先加熱 電子,隨后因電子和離子的碰撞而加熱離子。由于等離 子體中電流密度的大小受穩定性條件的限制,而電阻 率又隨電子溫度的升高而劇降,所以歐姆加熱雖方便 且經濟.卻只能將等離子體加熱到3x10,K(或3 keV)左右。 中性束注入加熱用高能強流中性化束注人到已 得到初步加熱的等離子體中,高能中性粒子(其能量約 為初始等離子體能t的幾十倍)因不受磁場力的作用, 可以穿透到等離子體內部,并與原已存在的“靶”等離 子體碰扭電離而被磁場捕獲成為高能離子成分,它們 又在多次碰搜而慢化的同時加熱等離子體。這種加熱 方法對等離子體擾動小,在許多裝置上已能有效地將 等離子體加熱至聚變反應所需溫度。對聚變反應堆來 說,由于幾何尺寸大于當前的實驗裝!,為使中性束能 透人中心約束區,要求中性束的能量提高到MeV大 小(目前為80~200 keV),這時因正離子的中性化率 太低使中性束加熱設備的造價大幅度提高,已提出用 負離子源技術來緩解這一困難。 波加熱很早就提出用電磁波與等離子體的相互 作用來加熱等離子體.主要應用三種頻段的大功率頻 源:?離子回旋波段,典型波頻在幾十到200 MH:,在 直線和環形裝置中都能有效地加熱離子。微波功率源 為四極管發生器一放大器,已有幾十兆瓦的加熱設備, 利用特殊設計的天線將波禍合到等離子體中,空間加 熱區域可控制;?電子回旋頻段,典型頻率為80~200 GH:,徽波功率由回旋管產生,通過波導輸人到等離子 體中,此法可有效地加熱電子和用于控制電流分布,但 加熱設備較難制造且昂貴;?低雜波頻段,典型頻區為 2~SGH:.徽波功率由速調管產生,用波導陣列輸入 等離子體,用于加熱電子和離子,并用于驅動環向電流 以實現托卡馬克裝!的穩態運行。 。粒子加熱自持聚變堆最終依靠聚變反應產生 的3.5 MeV的。粒子加熱來維持,加熱功率密度近似 地與本底離子溫度的平方成正比,也與本底粒子密度 的平方成正比,因此,氛旅自持燃燒存在熱不穩定性 (過熱或嫩燒碎滅)問題,已提出多種控制熱不穩定性 使嫩燒平穩化的方案。Q粒子還可能引發某些特殊的 不穩定性,影響其自身的約束并對加熱效率及最終的 聚變堆輸出功率產生重大影響,這些問題的最終解決 有賴于在實驗型聚變堆中的直接實驗觀察。 非感應電流驅動由于等離子體的電阻效應,托 卡馬克的環向電流會隨時間衰減,不可能單靠歐姆變 壓器的磁通變化來長期維持這一電流。近年來研究了 多種非感應電流馭動方法,它們在工藝上是與幾種加 熱方法基本相協調的.例如,沿環向的中性束注人在加 熱等離子體的同時也能驅動環向電流;通過改變藕合 天線的相位(形成沿磁力線單向傳播的行波),可以利 用幾種波段的徽波來驅動電流,其中研究得最充分的 是低雜波頻段,最大馭動電流已達3MA舊本的JT- 6oU),但對較高密度的參數區.這一方案中仍有很多 問題須解決;另外,等離子體中存在沿環向的自舉電 流,對高極向比壓等離子體,自舉電流可以達到很高的 比例(70%以上),從而降低了對外驅動源的要求. 加熱研究的現狀及前景在幾個大型托卡馬克裝 置上,利用中性束注人加熱,已達到4x10.K(44keV, JT一6oU)以上的離子溫度,表明聚變堆的加熱問題實 際上已經解決;離子回旋頻段的波加熱也可以將離子 溫度加熱到點火溫度區,這些加熱方法還可以結合起 來使用。電子回旋加熱還在仿星器型裝t中得到廣泛 應用,較易產生1。,K級的初始等離子體。用于聚變堆 條件下的負離子源技術目前己取得重大進展,單元器 件功率達兆瓦級的長脈沖負離子源中性束注人設備已 研制成功。在徽波加熱方面,相對于現有裝t中應用的 徽波器件,更高頻段的長脈沖甚至穩態運行的器件的 研制也不斷取得實質性進展。普遍認為,加熱和電流非 感應驅動的工藝研究的進展可以確保磁約束聚變堆 (托卡馬克堆或先進環形聚變堆)研制規劃的進行.



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