当前聚变研究的前沿课题

目前，核聚变研究的前沿课题主要有如下几方面：(1)探索新的加热方式与机制为实现聚变点火，必须把等离子体加热到一定高温度以上，如何加热等离子体，一直是核聚变研究的重要课题。40 多年来，不少加热方案陆续提出，其中最基本也是最普遍的是欧姆加热法。根据欧姆定律，加热热功率密度应为 p=ρj²，j 为电流密度，ρ=2.8×10^-8/T^3/2Ω·m，其中 T 为电子温度。ρ的确定是根据斯必泽公式由氢等离子体得到的。上述关系表明，随着温度的升高，热功率密度将明显地下降，在较高温度时，欧姆加热效果明显变差。当然为提高欧姆加热的效率，可以增大电流密度或提高等离子体的电阻率。然而，增加电流密度势必造成工程上的困难。而且，对于托卡马克装置，等离子体中的电流值不能超过某一极限。有人建议考虑等离子体的湍流因素，这是一种由微观不稳定性引起的等离子体混乱的集体振荡，如朗缪尔等离子体振荡、离子声波、阿尔芬波等。理论证明，这种湍流可以提高等离子体的电阻率。然而，湍流的存在，也会使等离子体的能量损失加快。此外，在用强电场驱动湍流时，电场还会引起等离子体中电子逃逸，因而破坏了等离子体的约束。由此看来，在一般情况下，欧姆加热可以作为等离子体的第一步加热法，进一步提高等离子体的温度，还必须寻找其它途径。

中性粒子注入是目前较成功的一种等离子体加热法。磁场可以约束带电粒子，高能中性粒子却能畅通无阻地进入等离子体。它们与带电粒子作用后，变为高能离子，从而被磁场约束在等离子体中。这些高能离子再与原有等离子体粒子碰撞，把能量转移给等离子体，使其温度升高。创造离子温度世界纪录的美国大型 TFTR 托卡马克就是采用这种方法加热的。用于注入加热的中性粒子，一般是高能中性氘或氢原子束。为了有效地加热等离子体，所注入的中性粒子束束流功率必须足够大，以使粒子束能到达等离子体的中心区域，否则粒子束只能加热边缘区域的等离子体，使这些区域的等离子体粒子撞击真空器壁，不仅损失能量，还能把杂质带入等离子体。实践证明，中性束流的功率不能太大，当其能量超过 150keV 时，中性注入的效率会急剧下降。然而，聚变反应堆所要求的能量是 300keV 左右。此外，中性注入加热所需的设备庞大，结构复杂、造价高昂。目前，正探索射频波加热法，如电子回旋共振加热、离子回旋共振加热和阿尔芬波加热等。除了相关技术研究外，加热的共振特性，加热过程的能量转换及吸收机制与加热效率等一系列理论研究也在相应深入进行着。

改善等离子体的约束性能

在实践中发现，高能中性粒子注入后，虽然提高了等离子体的离子温度，却随着温度的提高，约束性能也变坏。产生不稳定性出现的原因是注入高能中性粒子被电离后，所形成的高能离子的速度并不单一，速度的分布具有一定的宽度。这些高能离子使等离子体的速度分布受到影响，在速

度较大处又出现一个峰值而形成双峰分布。如果等离子体中存在有波，其相速度恰在升起峰值的上升区域，由于朗道增长，波的幅度也随之加大，因而使稳定性破坏。这种情况并非不能改善，当加热功率超过一定阀值时，等离子体边缘 Da 线辐射强度突然下降，等离子体密度明显加大，粒子及能量约束性能也随之明显地改善。1982 年，在西德中等托卡马克 Astex 上这一改善措施首次获得成功，这种现象被称为“L 模约束特性”。实践中还发现，满足一定条件时，随着中性粒子注入功率的增加，等离子体的约束性能反倒有所改善，这种现象称为“H 模约束特性”。H 模约束特性以及L-H 转换机制是当前世界托卡马克装置上广泛研究的重要课题。L-H 转换机制的相关理论也相继出现①②。这些理论的基本思想是在等离子体边缘的旋转速度、径向电场以及它们的剪切刀突然加大时，会使边缘的扰动得到抑制，从而改善约束性能，导致 L-H 转换。进入 90 年代，中国环流 1 号

（HL-1）托卡马克装置，利用加偏压电极也实现了 H 模运行。研究人员同时外加径向电场对 H-L 转换及转换中等离子体的性质及变化过程进行了系统的研究，这一工作是我国核聚变研究的重要成果。

反常输运与涨落现象研究

等离子体通常处于非平衡的热力学状态，输运过程是一种既基本又重要的物理过程。此外，磁约束下的等离子体是一种准稳态力学平衡系统，它的状态变化以及所引起的耗散效应，甚至迅速变化过程，如波动、不稳定性或激波都主要由其输运过程决定，因此，研究输运过程对等离子体研究有十分重要的意义。等离子体输运过程的理论研究始于本世纪初，当时采用了李普曼-恩斯库格展开法对等离子体的输运系数进行计算。在 40 年代，著名的前苏联科学家朗道从理论上研究了等离子体波的性质，导出了描述库仑碰撞的朗道碰撞项。50 年代，印度-美国天文学家钱德拉塞卡

（Chandrasekhar，Subrahmanyan 1916～）与美国天文与物理学家施必泽等人，曾运用福克-普朗克方程研究了库仑碰撞效应。钱德拉塞卡还引入了试探粒子的方法。托卡马克装置研制成功并大量运行后，最初，人们认为托卡马克装置中的等离子体能量损失主要来源于粒子的碰撞与输运过程，例如，对于电子，主要来自电子的辐射损失、电子对流输运损失和电子热导损失；对于离子，则来自电荷交换损失、离子对输运损失和离子热导损失。由于这些损失都是以库仑碰撞为基本机制，都可以利用经典输运理论得到解释，称它们为“正常输运过程”。然而，早在 1946 年，玻姆（Bohm， David Joseph 1917～）就首先注意到有反常的输运过程，它们不能利用经典的输运理论解释。对这种反常输运现象，他提出了一个扩散系数的半经典公式 D⊥=CTe/16eB≥DB，D⊥称为玻姆扩散系数。这一关系表明，DB∝ TeB^-1，它与经典扩散系数 Dc∝ n/T^1/2B^-2 的定标关系差异很大。DB/DC 之值竟达到 10⁴。近年来，虽然磁约束装置的扩散和热导损失已低于玻姆值，但仍然高于经典值。除了反常扩散、反常热导外，还存在有反常电阻、反常粘滞性、反常趋肤效应、无碰撞激波层内的反常耗散等。反常输运现象不仅存在于磁约束的等离子体中，在惯性约束的等离子体中也经常出现。反常输运现象已成为受控热核聚变与等离子体物理的重要研究课题之一。

研究发现，引起反常输运现象的机制远比造成正常输运的库仑碰撞机制复杂得多。一般认为，它与等离子体中的微观湍流有关。主要地可归结

为带电粒子间相互作用的长程力导致的集体效应。这种相互作用所激发的每一种输运模式，都会引起强烈的输运过程。例如，沿垂直于磁场方向的反常扩散和反常热导的可能机制有：由不均匀性激发的各种低频波漂移，由电磁模不稳定增长导致的磁面破裂等。微观湍流在磁约束高温等离子体中普遍存在，目前对它们的起源及它们在反常输运中所起作用还了解不多，虽然已建立一些物理模型，但仍不能很好地解释所观察到的反常输运现象。受控热核聚变研究与等离子体物理的进展都急切地需要尽早地理论与实验相结合，弄清反常输运的物理机制。