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前言 1

第一章 核聚变基本概念和发展历史 1

1.1 原子核的结合能 1

1.2 聚变反应 4

1.2.1 聚变能源及其优点 5

1.2.2 核聚变与等离子体的关系 7

1.3 劳逊判据 9

1.3.1 聚变反应速率和功率密度 9

1.3.2 功率平衡 12

1.3.3 劳逊判据 14

1.4 磁约束概念 17

1.4.1 磁约束基本原理 18

1.4.2 磁约束聚变装置的分类 20

1.5 聚变能源的展望 22

1.6 核聚变研究的发展历史 25

1.6.1 几种主要聚变装置的发明 26

1.6.2 初期的过高期望和激烈的国际竞争 33

1.6.3 解密和研究重点的转移 35

1.6.4 研究托卡马克的热潮 38

参考文献 42

第二章 聚变装置中的磁场位形 45

2.1 磁场与电流的关系 45

2.2 磁场空间分布的描述 49

2.3 磁面和磁面坐标 55

2.4 聚变研究中的几种主要的磁场位形 57

2.4.1 载流圆环线圈的磁场 58

2.4.2 托卡马克磁场位形 59

2.4.3 磁镜场 66

2.4.4 仿星器磁场 74

参考文献 78

第三章 磁约束等离子体的基本性质 81

3.1 等离子体的基本概念 82

3.1.1 等离子体的定义 82

3.1.2 德拜屏蔽 85

3.1.3 等离子体频率 88

3.1.4 等离子体中的碰撞 90

3.1.5 等离子体的描述方法 96

3.2 带电粒子在磁场中的运动 100

3.2.1 带电粒子在均匀磁场中的运动 101

3.2.2 带电粒子在非均匀磁场中的运动 104

3.2.3 带电粒子在磁镜场中的运动 117

3.2.4 托卡马克磁场位形中的粒子轨道 127

3.3 磁约束等离子体位形的平衡 135

3.3.1 平衡方程 135

3.3.2 柱对称位形的平衡 138

3.3.3 Grad-Shafranov方程 140

3.3.4 托卡马克的平衡 145

3.4 磁流体不稳定性 149

3.4.1 瑞利-泰勒不稳定性 150

3.4.2 能量原理 154

3.4.3 交换不稳定性 160

3.4.4 气球模不稳定性 164

3.4.5 扭曲不稳定性 166

3.4.6 电阻对不稳定性的影响 173

3.5 等离子体中的波 177

3.5.1 磁流体力学波 178

3.5.2 沿磁场方向传播的高频电磁波 183

3.5.3 在垂直于磁场方向传播的高频电磁波 186

参考文献 188

第四章 聚变等离子体的加热原理 192

4.1 聚变点火对辅助加热功率的要求 192

4.2 欧姆加热 195

4.3 中性粒子束注入加热方法(NBI) 197

4.3.1 等离子体对中性束性能的要求 197

4.3.2 中性束注入系统 199

4.3.3 中性束在等离子体中的传播 207

4.3.4 负离子源 212

4.4 射频加热的物理原理 216

4.4.1 波在等离子体中的传播以及波与粒子的相互作用 217

4.4.2 无碰撞能量吸收机制 220

4.4.3 射频波加热的频率范围 226

4.5 电子回旋共振中热(ECRH) 228

4.5.1 电子回旋波的传播及可接近性问题 228

4.5.2 ECRH实验研究概况 233

4.6 低混杂波共振加热(LHRH) 239

4.6.1 低混杂波在等离子体中传播的线性理论 239

4.6.2 低混杂波加热技术及实验结果 246

4.7.1 少数类离子在基频共振和背景离子的二次谐波共振 251

4.7 离子回旋频率范围内的共振加热(ICRF) 251

4.7.2 ICRF的天线发射系统 254

4.7.3 ICRF的实验情况 258

4.8 阿尔芬波加热(AWH) 260

4.8.1 阿尔芬波的共振连续谱 261

4.8.2 阿尔芬波加热的动力学描术 264

4.8.3 实验研究概况 270

参考文献 272

第五章 等离子体与器壁的相互作用 280

5.1 等离子体边界层的原子过程 281

5.1.1 等离子体边界层的特点 281

5.1.2 边界层的杂质返流现象 283

5.1.3 边界层等离子体中的原子分子过程 284

5.2 朝向器壁的粒子流 290

5.3 真空室表面现象 292

5.3.1 背散射 293

5.3.2 吸附和解吸 293

5.3.3 溅射 295

5.3.4 单极弧 297

5.3.5 蒸发和热震 299

5.3.6 起泡和爆皮 299

5.4 杂质对等离子体的影响 300

5.4.1 杂质辐射 300

5.4.2 杂质对聚变反应的影响 303

5.5 杂质的控制 305

5.5.1 限制器 306

5.5.2 偏滤器 307

5.5.3 器壁的表面处理和状态优化 310

a) 预处理 310

b) 烘烤 310

c) 脉冲放电清洗 311

d) 辉光放电清洗 313

e) 放电清洗的表面化学过程 314

f) 钛吸附清洗技术 316

参考文献 317

第六章 托卡马克 321

6.1 概述 321

6.2.1 托卡马克装置的基本结构 323

6.2 托卡马克基本原理 323

6.2.2 托卡马克等离子体的产生 325

6.2.3 逃逸电子现象 326

6.2.4 等离子体参数的径向分布 330

6.3 托卡马克等离子体的磁流体行为 332

6.3.1 磁岛 333

6.3.2 Mirnov振荡 336

6.3.3 锯齿振荡 338

6.3.4 破裂不稳定性 343

6.4 托卡马克等离子体的约束特性 346

6.4.1 新经典输运 346

a)磁撞区的输运性质 347

b)香蕉区的输运性质 350

c)平台区的输运性质 351

6.4.2 托卡马克的定标律 353

6.4.3 辅助加热时的约束特性--L模和H模 354

6.4.4 自举电流 356

6.5 托卡马克中的涨落现象和反常输运 357

6.5.1 反常输运现象 357

6.5.2 托卡马克中微观涨落的测量 359

a) 利用电磁波散射测量密度涨落 359

b) 利用探针测量涨落 361

c) 托卡马克中微观涨落测量结果概述 362

6.5.3 托卡马克中反常输运和微观扰运的理论模式 364

6.6 电流驱动 366

6.6.1 Fokker-Planck方程 367

6.6.2 低混杂波电流驱动 370

6.6.3 阿尔芬波电流驱动 378

6.6.4 中性注入电流驱动 379

6.7 主要的托卡马克实验装置概况 381

6.7.1 T-3 382

6.7.2 ST 383

6.7.3 JFT-2 385

6.7.4 Alcator 386

6.7.5 TFR 387

6.7.6 DITE 388

6.7.7 PLT 390

6.7.8 T-10 391

6.7.9 ISX 392

6.7.10 FT 393

6.7.11 Doublet-Ⅲ 394

6.7.12 ASDEX 395

6.7.13 TFTR 397

6.7.14 JET 398

6.7.15 JT-60 400

参考文献 401

第七章 磁镜 410

7.1 磁镜概念的发展演化过程 410

7.1.1 初期的磁镜概念 410

7.1.2 磁阱概念 414

7.1.3 双极热与标准磁镜 417

7.1.4 串列磁镜 425

7.1.5 其它形式的磁镜装置 431

7.2 磁镜中的粒子约束 434

7.2.1 磁矩绝热不变量 435

7.2.2 第二绝热不变量J 437

7.3 磁镜中的不稳定性 438

7.3.1 MHD不稳定性 438

7.3.2 高密度静电微观不稳定性--DGH模 441

7.3.3 高频对流损失锥微观不稳定性--HFCLC模 442

7.3.4 漂移回旋损失锥不稳定性--DCLC模 444

7.3.5 阿尔芬离子回旋不稳定性--AIC模 447

7.4 磁镜装置实验概况 448

7.4.1 2XⅡB以及温等离子体的致稳作用 448

7.4.2 串列磁镜：TMX-U，GAMMA-10，TARA 451

7.4.3 串列磁镜装置的主要实验进展 454

参考文献 458

第八章 其它磁约束装置 464

8.1 仿星器 464

8.1.1 仿星器位形的建立 465

8.1.2 仿星器的变型：扭曲器和螺旋器 467

8.1.3 仿星器中等离子体的运动规律 470

8.1.4 实验进展概况 474

8.2 反向场箍缩(RFP) 481

8.2.1 Zeta装置与RFP位形的发现 481

8.2.2 RFP位形的特点和形成的方法 484

8.2.3 RFP的物理基础 487

8.2.4 RFP装置实验研究概况 490

8.3 场反向位形(FRC) 492

8.3.1 场反向电子环 493

8.3.2 场反向磁镜(FRM) 494

8.3.3 场反向角向箍缩 497

8.4 球马克位形(Spheromaks) 502

参考文献 506

附录一、矢量运算公式 513

附录二、物理常数 514

附录三、等离子体基本参量 515

1.长度 515

2.频率 517

3.速度 518

4.碰撞时间 518

附录四、聚变反应 520