高温等离子体物理chapter1

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1、高温等离子体物理高喆Tel：97535Email:gaozhe@tsinghua.edu.cn先修要求：等离子体物理导论或类似课程本课程研究的对象：高温等离子体，即聚变等离子体尤其指磁约束聚变等离子体参考书目：宫本健郎，热核聚变等离子体物理学,科学出版社，1981(KenroMiyamotoPlasmaphysicsandcontrollednuclearfusion,Springer,2005)J.Wesson,Tokamaks,ClarendonPress,1997K.NishikawaandM.Wakatani,PlasmaPhysics,Basictheory

2、withfusionapplications,Springer,2000徐家鸾，金尚宪.等离子体物理学，原子能出版社，1981石秉仁，磁约束聚变理论和实践，原子能出版社，1999引论：聚变与等离子体聚变对等离子体的要求聚变类型（磁约束与惯性约束）聚变研究历史、现状与发展主要物理问题课程内容与特点能源需求：充足？各种能源储量和可用年数（按目前消耗水平）能源储量（109J）可用年数石油1.2X101340天然气1.4X101350煤1.0X1014300铀235（裂变堆）101330铀238釷232（增殖堆）101630000锂（DT聚变堆）10193X107能源需求：清洁

3、？煤DT聚变0.5公斤D2燃料9000吨煤1.5公斤Li6(0.7公斤T)230000吨CO2废料600吨SO2公斤He4290吨NO2（一天提供109W电能）能源需求：清洁？（continued.）聚变和裂变堆关闭后的放射性能源需求：安全？化石能源水电裂变能聚变能宇宙能源-太阳和恒星中的核聚变ArthurS.Eddington（1882-1944）p+12C13N13C+e++υp+pD+e++υp+13C14ND+D3He141515+p+NON+e+υ3He+3He4He+p+pp+15N12C+4He可控聚变能适用的聚变反应聚变需要达到的条件1:高

4、温等离子体由于隧道效应以及等离子体的速度分布，并不需要所有粒子无规动能达到库仑势垒的高度。对于氘氚反应来说，温度只需10keV量级。不过这样的温度已经足以使得燃料原子周围的电子被剥离了，这样的等离子体就称为热核聚变等离子体，通常被称作高温等离子体2.Lawson判据JohnD.Lawson1923-2008聚变能量所得>能量所失nτ>1020(m-3.s)E3nT3nTηPf+Pbr+≥Pbr+ττ2P∝nσvEff2P∝nf(T)br3Tnτ≥ηPPf−br221−ηnn20−3nτ>0.6×10ms点火条件13nTP≥P+fb5τ20−3nτ>1.5×10

5、ms或使用三乘积（近似表示能量收入产出）21−3nτT>3×10mKeVs我们可以选择两种途径，一是尽量提高约束时间，一是在短时间内提高粒子密度，磁约束和惯性约束正好是分别走了这两条路线惯性约束聚变类型按照驱动源分类惯性约束聚变类型（continued）按驱动方式分类（1）直接（2）间接X-raysenhanceimplosionsymmetryandreducehydrodynamicinstabilityatacostinefficiencyCentralhotspotignitionandFastIgnitionFastIgnitionisanapproachtoIC

6、Fwhichdecouplescompressionfromignitionandmayrelaxtherequirementoflaserenergy.ProgressofLaser-ICF惯性约束聚变研究进展简介1960年激光问世，1968年第三届等离子体物理与聚变国际会议上，首次发表了激光聚变的文章80年代，利弗莫尔劳伦斯实验室在钕玻璃激光器NOVA上成功进行了一系列靶物理实验，旨在研究激光靶耦合物理和内爆物理过程，证明激光聚变的科学可行性，力图实现点火和低增益燃烧。由于激光能量的限制，点火温度还没有达到。日本在钕玻璃激光器GEKKO-XII上用直接驱动大方式压缩靶丸

7、，获得了600倍固体密度的高度压缩。法国的Phebus也在进行类似于NOVA的间接驱动实验。1988年，美国利用地下核试验时核爆产生的部分X射线转化为惯性约束所需的辐射能，校验了间接驱动的原理，证明了高增益激光聚变的科学可行性以NIF为代表的以点火为目标的装置开始设计2001年，日本和英国科学家首次利用超短脉冲激光对“快点火”物理做了原理可行性演示1992年美国的桑迪亚实验室实现了强度大于1TW/cm2，散度小于毫弧度的锂束。重离子源的研究也在欧洲和美国分别以射频直线加速器和感应直线加速器的方式研究中。Nation